数学のブログ

2重積分 極座標 領域、三角関数(正弦と余弦)、倍角、立体、体積

続 解析入門 (原書第2版) (S.ラング(著)、松坂 和夫(翻訳)、片山 孝次(翻訳)、岩波書店)の第7章(2重積分)、3(極座標)の練習問題14の解答を求めてみる。

2 - π 4 π 4 0 2 a cos 2 θ 2 a 2 - r 2 r d r d θ = 2 · 2 3 ( - 1 2 ) - π 4 π 4 [ ( 2 a 2 - r 2 ) 3 2 ] 0 a 2 cos 2 θ d θ = - 2 3 - π 4 π 4 ( ( 2 a 2 - 2 a 2 cos 2 θ ) 3 2 - ( 2 a 2 ) 3 2 ) d θ = - 4 2 3 a 3 ( - π 4 π 4 ( 1 - cos 2 θ ) 3 2 d θ - [ θ ] - π 4 π 4 ) = - 4 2 3 a 3 ( - π 4 π 4 ( 1 - cos 2 θ ) 3 2 d θ - π 2 ) = - 4 2 3 a 3 ( - π 4 π 4 ( 1 - ( cos 2 θ - sin 2 θ ) ) 3 2 d θ - π 2 ) = 4 2 a 3 3 ( π 2 - - π 4 π 4 ( 1 - ( 1 - 2 sin 2 θ ) ) 3 2 d θ ) = 4 2 a 3 3 ( π 2 - - π 4 π 4 ( 2 sin 2 θ ) 3 2 d θ ) = 4 2 a 3 3 ( π 2 - 4 2 0 π 4 sin 3 θ d θ )
sin 3 θ d θ = - cos θ sin 2 θ + 2 cos 2 θ sin θ d θ = - sin 2 θ cos θ + 2 ( 1 - sin 2 θ ) sin θ d θ = - sin 2 θ cos θ - 2 cos θ - 2 sin 3 θ d θ sin 3 θ d θ = 1 3 ( - sin 2 θ cos θ - 2 cos θ )
4 2 a 3 3 ( π 2 + 4 2 3 [ sin 2 θ cos θ + 2 cos θ ] 0 π 4 ) = 4 2 a 3 3 ( π 2 + 4 2 3 ( 1 2 2 + 2 2 - 2 ) ) = 4 2 a 3 3 ( π 2 + 2 3 + 8 3 - 8 2 3 ) = 4 2 a 3 9 ( 3 2 π + 10 - 8 2 ) = 2 2 a 3 9 ( 3 π + 20 - 16 2 )

コード、入出力結果(Wolfram Language, Jupyter Notebook)

a = 2
2
SphericalPlot3D[
    Sqrt[2a^2-r^2] r,
    {θ, 0, 2Pi},
    {r, 0, Sqrt[2a^2 Cos[2θ]]}
]
Output