Math Problem Statement

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Solution

给定的问题是计算双重积分Darctan(y)dxdy\iint_D \arctan(y) \, dx \, dy,其中区域DD由以下边界围成:

  1. y=xy = x
  2. x=0x = 0
  3. y=1y = 1

首先,我们理解区域DD。边界是:

  1. y=xy = x
  2. x=0x = 0
  3. y=1y = 1

这个区域在xyxy-平面上是一个右三角形,其顶点在(0,0)(0,0)(1,1)(1,1)(0,1)(0,1)

接下来,我们设定双重积分: Darctan(y)dxdy\iint_D \arctan(y) \, dx \, dy

将积分写成关于xxyy的形式: 010yarctan(y)dxdy\int_{0}^{1} \int_{0}^{y} \arctan(y) \, dx \, dy

注意到arctan(y)\arctan(y)xx无关,因此可以将其从内部积分中提取出来: 01arctan(y)(0ydx)dy\int_{0}^{1} \arctan(y) \left( \int_{0}^{y} dx \right) dy

计算内部积分: 0ydx=y\int_{0}^{y} dx = y

所以积分简化为: 01arctan(y)ydy\int_{0}^{1} \arctan(y) \cdot y \, dy

我们需要计算: 01yarctan(y)dy\int_{0}^{1} y \arctan(y) \, dy

为此,我们可以使用分部积分法。设: u=arctan(y)u = \arctan(y)dv=ydydv = y \, dy

那么, du=11+y2dyv=y22du = \frac{1}{1+y^2} \, dy \quad \text{和} \quad v = \frac{y^2}{2}

使用分部积分公式 udv=uvvdu\int u \, dv = uv - \int v \, du,我们得到: 01yarctan(y)dy=y22arctan(y)0101y22(1+y2)dy\int_{0}^{1} y \arctan(y) \, dy = \left. \frac{y^2}{2} \arctan(y) \right|_{0}^{1} - \int_{0}^{1} \frac{y^2}{2(1+y^2)} \, dy

计算边界项: y22arctan(y)01=12arctan(1)0=π8\left. \frac{y^2}{2} \arctan(y) \right|_{0}^{1} = \frac{1}{2} \arctan(1) - 0 = \frac{\pi}{8}

现在计算剩余的积分: 01y22(1+y2)dy\int_{0}^{1} \frac{y^2}{2(1+y^2)} \, dy

简化积分被积函数: y22(1+y2)=12(y2+111+y2)=12(111+y2)\frac{y^2}{2(1+y^2)} = \frac{1}{2} \left( \frac{y^2 + 1 - 1}{1 + y^2} \right) = \frac{1}{2} \left( 1 - \frac{1}{1+y^2} \right)

所以积分变为: 1201(111+y2)dy=12[yarctan(y)]01\frac{1}{2} \int_{0}^{1} \left( 1 - \frac{1}{1+y^2} \right) dy = \frac{1}{2} \left[ y - \arctan(y) \right]_{0}^{1}

计算这个积分: 12[(1arctan(1))(0arctan(0))]=12(1π4)\frac{1}{2} \left[ (1 - \arctan(1)) - (0 - \arctan(0)) \right] = \frac{1}{2} \left( 1 - \frac{\pi}{4} \right)

因此,积分结果为: π812(1π4)=π812+π8=π412\frac{\pi}{8} - \frac{1}{2} \left( 1 - \frac{\pi}{4} \right) = \frac{\pi}{8} - \frac{1}{2} + \frac{\pi}{8} = \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}

因此,给定的双重积分结果为: π412\boxed{\frac{\pi}{4} - \frac{1}{2}}

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