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極座標による二重積分

本サイトでは r≥0r\ge0、角度 θ\theta は正の xx 軸から反時計回りに測ります。同じ領域をちょうど一度覆う角度区間を選びます。

半径rと角度θで指定した扇形領域と微小面積要素
極座標では半径方向の幅drと円周方向の幅r dθを掛けるため、面積要素に因子rが現れます。

扇形 α≤θ≤β,0≤r≤R\alpha\le\theta\le\beta,0\le r\le R の面積は ∫αβ∫0Rr dr dθ=(β−α)R22\int_\alpha^\beta\int_0^Rr\,dr\,d\theta=(\beta-\alpha)\frac{R^2}{2}。対称な領域で奇関数を積分すれば0になることもあります。

Q基本:円盤の面積★☆☆
半径3の円盤の面積を極座標で求めてください。
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0≤r≤3,0≤θ≤2π0\le r\le3,0\le\theta\le2\pi。
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∫02π∫03r dr dθ=9π\int_0^{2\pi}\int_0^3r\,dr\,d\theta=9\pi です。
Q標準:円環★★☆
1≤r≤31\le r\le3 の円環上で1を積分してください。
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円環の面積です。
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∫02π∫13r dr dθ=8π\int_0^{2\pi}\int_1^3r\,dr\,d\theta=8\pi です。
Q発展:対称性★★★
単位円盤上で x2x^2 を積分してください。
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x2=r2cos⁡2θx^2=r^2\cos^2\theta、∫02πcos⁡2θdθ=π\int_0^{2\pi}\cos^2\theta d\theta=\pi。
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∫02π∫01r3cos⁡2θ dr dθ=(14)π=π4\int_0^{2\pi}\int_0^1r^3\cos^2\theta\,dr\,d\theta=(\frac{1}{4})\pi=\frac{\pi}{4} です。