数学のブログ

3重積分 重心 密度、一様、物体、楕円、上半分、三角関数(正弦と余弦)、累乗、置換積分法

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9章(3重積分)、3(重心)の練習問題3の解答を求めてみる。

a , b > 0 - a x a x 2 a 2 + y 2 b 2 = 1 y 2 = ( 1 - x 2 a 2 ) b 2 = b 2 a 2 ( a 2 - x 2 ) y = b a a 2 - x 2

よって、

m = 2 b a 0 a a 2 - x 2 dx x = a ( sin t ) 0 t π 2 dx dt = a ( cos t ) dx = a ( cos t ) dt m = 2 b a 0 π 2 a 2 - a 2 sin 2 t a ( cos t ) dt = 2 b a 0 π 2 a 1 - sin 2 t a ( cos t ) dt = 2 a b 0 π 2 cos 2 t cos t dt = 2 a b 0 π 2 cos 2 t dt = 2 a b · π 2 · 1 2 = π a b 2

重心の各座標について。

x - = 1 m - a a 0 b a a 2 - x 2 x dy dx = 2 π a b - a a x · b a a 2 - x 2 dx = 2 π a 2 - π 2 π 2 a ( sin t ) cos 2 t dt = 2 π a - π 2 π 2 sin t ( 1 - sin 2 t ) dt = 2 π a - π 2 π 2 ( sin t - sin 3 t ) dt = 0

また、

y - = 1 m - a a 0 b a a 2 - x 2 y dy dx = 1 π a b - a a ( b a a 2 - x 2 ) 2 dx = 2 π a b · b 2 a 2 0 a ( a 2 - x 2 ) dx = 2 b π a 3 [ a 2 x - 1 3 x 3 ] 0 a = 2 b π a 3 ( a 3 - 1 3 a 3 ) = 2 b π a 3 · 2 a 3 3 = 4 b 3 π