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令和5年度・基礎科目 I-3-2

重積分(四分円上の x)

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解説

ポイント

半径1の円の右上4分の1の領域で,x を重積分する問題です。

考え方と解き方

y の上限 √(1−x2) は円 x2+y2=1 の上半分なので,領域は四分円です。

先に y で積分し,そのあと x で積分します。

  • y で積分:x は定数あつかいなので ∫x dy=x×y。y に 0 と √(1−x2) を入れると x√(1−x2)
  • x で積分:∫01 x√(1−x2) dx
  • t=1−x2 と置くと dt=−2x dx,つまり x dx=−dt/2。範囲は x:0→1 が t:1→0
  • 積分は (1/2)∫01 t1/2 dt=(1/2)×(2/3)×1=1/3
  • 円周率は出てきません。答えは ② 1/3

ほかの選択肢

④(π/4):x の代わりに1を積分した四分円の面積です。x≦1 を掛けているので,答えは面積より小さくなります。

①・③(π/3,π/2):四分円の面積 π/4≒0.785 より大きく,x を掛けた値としては大きすぎます。

覚えておくこと

  • y の上限が √(1−x2) なら,領域は半径1の円の一部。図をかいて形をつかむ
  • x√(1−x2) のように中身の微分(−2x)が外にある形は,t=1−x2 の置き換えで解ける
  • 被積分関数が1なら面積,x や y を掛けると重心に関係する量になる

出典:令和5年度 技術士第一次試験 基礎科目 I-3-2(公益社団法人日本技術士会) ジャンル:数学