広島大学 先進理工系科学研究科 情報科学プログラム 2021年1月実施 専門科目I 問題2
Author
samparker, 祭音Myyura
Description
以下の問いに答えよ。
(1) 不定積分 ∫sinθdθ を求めよ。
(2) 領域 {(x,y)∈R2∣∣xy∣≥1,x2+y2≤R2},R≥0 の面積 S(R) を求めよ。
(3) limR→∞πR2S(R) を求めよ。
Answer the following questions:
(1) Calculate the integral: ∫sinθdθ.
(2) Find the area S(R),R≥0, of the region {(x,y)∈R2∣∣xy∣≥1,x2+y2≤R2}.
(3) Find the limit: limR→∞πR2S(R).
题目描述
回答以下各问:
-
求不定积分
∫sinθdθ.
-
对 R≥0,求区域
{(x,y)∈R2: ∣xy∣≥1, x2+y2≤R2}
的面积 S(R)。
-
求极限
R→∞limπR2S(R).
Kai
(1)
∫sinθ1dθ=∫sin2θsinθdθ=∫1−cos2θsinθdθ
substitute cosθ by t, we have
∫1−cos2θsinθdθ=∫1−t2−dt=∫(1+t)(1−t)−dt=−21∫(1−t1+1+t1)dt=−21(−log∣1−t∣+log∣1+t∣)+C=−21log1−t1+t+C=21log1+t1−t+C=21log(1+cosθ1−cosθ)+C
(2)
In polar coordinates,
∣xy∣=2r2∣sin2θ∣.
Hence S(R)=0 for 0≤R≤2. For R>2, put
θ0=21arcsinR22.
Using symmetry in the four quadrants,
S(R)=4∫θ02π−θ0∫2/sin2θRrdrdθ=2R2(2π−2θ0)−4ln(cotθ0)=πR2−2R2arcsinR22−4ln(cot(21arcsinR22)).
(3)
cotθ0=2R2(1+1−R44),
so ln(cotθ0)=O(lnR). Therefore
R→∞limπR2S(R)=1.