【微分積分】8-4-1 定符号関数の広義重積分|要点まとめ

このページでは、大学数学の微分積分で扱う「定符号関数の広義重積分」について解説します。定符号関数や近似増加列の基本的な定義を整理し、極座標変換や変数変換を用いた実践的な計算例題11選と丁寧な解答を掲載しています。

広義重積分

【定符号関数】
関数\(f(x,y)\)が\(D\)上で常に\(f(x,y)\geqq0\)または\(D\)上で常に\(f(x,y)\leqq0\)であるとき、\(f(x,y)\)を\(D\)上の定符号関数という。

【近似増加列】
\(D\)を有界とは限らない\(\mathbb{R}^2\)を部分集合とする。\(D\)の部分集合の列\(\{D_n\}_{n=1}^\infty\)が次の3条件を満たすとき、\(D\)の近似増加列という。
(1)\(D_n\)は面積確定な有界閉領域である。
(2)\(D_1\subset D_2\subset \cdots \subset D_n\subset \cdots\)
(3)任意の有界閉集合\(K\subset D\)に対して、\(K\subset D_n\)となる自然数\(n\)が存在する。

【広義重積分】
\(D\)の近似増加列\(D_n\)のとき、
\(\displaystyle \iint_Df(x,y)dxdy:=\lim_{n\to\infty}\iint_{D_n}f(x,y)dxdy\)
と定義される。これを\(f(x,y)\)の\(D\)における広義の2重積分または広義重積分という。この極限値が存在するときに広義重積分は収束するといい、\(\infty\)であるときに広義重積分は発散するという。広義重積分が収束するとき、\(D\)上で広義重積分可能であるという。

【広義積分の定義の妥当性】
\(f(x,y)\)は\(D\)上の連続な定符号関数とする。このとき、\(D\)の2個の近似増加列\(\{D_n\}_{n=1}^\infty,\{E_n\}_{n=1}^\infty\)に対して
\(\displaystyle \lim_{n\to\infty}\iint_{D_n}f(x,y)dxdy=\lim_{n\to\infty}\iint_{E_n}f(x,y)dxdy\)
が成り立つ。

【例題】次の広義重積分を求めなさい。

(1)\(\displaystyle \iint_De^{-x-y}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|x\geqq0,y\geqq0\}\)
(2)\(\displaystyle \iint_Dx^2e^{-x^2-y^2}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|x\geqq0,y\geqq0\}\)
(3)\(\displaystyle \iint_De^{-x^2-y^2}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|x\geqq0,y\geqq0\}\)
(4)\(\displaystyle \iint_D\frac{1}{\sqrt{1-x^2-y^2}}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|x^2+y^2< 1\}\)
(5)\(\displaystyle \iint_D\frac{1}{x+y}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|0\leqq x\leqq 1,0\leqq y\leqq 1,(x,y)\neq(0,0)\}\)
(6)\(\displaystyle \iint_D\log(x^2+y^2)dxdy\)
\(D=\{(x,y)|0< x^2+y^2\leqq 1\}\)
(7)\(\displaystyle \iint_D\frac{xy}{(x^2+y^2)^3}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|x\geqq1,y\geqq1\}\)
(8)\(\displaystyle \iint_De^\frac{y}{x}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|0< x\leqq1,0\leqq y\leqq x^2\}\)
(9)\(\displaystyle \iint_Dx^2ye^{-y^3}dxdy\)
\(D=\{(x,y)|x\geqq0,y\geqq x^3\}\)
(10)\(\displaystyle \iiint_D\frac{1}{(x^2+y^2+z^2)^2}dxdydz\)
\(D=\{(x,y,z)|x^2+y^2+z^2\geqq1\}\)
(11)\(\displaystyle \iiint_D\frac{1}{x^2+y^2+z^2}dxdydz\)
\(D=\{(x,y,z)|0< x^2+y^2+z^2\leqq 1\}\)
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