Featured

Jawaban Soal Matematika Integral Ganda ∫(x=0~2a)∫(y=0~√(2ax-x²)) ( x² + y² ) dy dx

 

Soal ini adalah soal integral ganda:

x=02ay=02axx2(x2+y2)dydx\int_{x=0}^{2a} \int_{y=0}^{\sqrt{2ax - x^2}} (x^2 + y^2) \, dy \, dx

Kita akan menyelesaikan ini langkah demi langkah.


🔹 Langkah 1: Pahami Batas Integral

Fungsi batas dalam integral dalam bentuk:

  • xx dari 0 hingga 2a2a

  • yy dari 0 hingga 2axx2\sqrt{2ax - x^2}

Perhatikan bahwa batas atas untuk yy adalah 2axx2\sqrt{2ax - x^2}, yang merupakan persamaan dari setengah lingkaran:

y2=2axx2x22ax+y2=0(xa)2+y2=a2y^2 = 2ax - x^2 \Rightarrow x^2 - 2ax + y^2 = 0 \Rightarrow (x - a)^2 + y^2 = a^2

Ini adalah persamaan lingkaran berjari-jari aa, berpusat di (a,0)(a, 0). Tapi karena yy dari 0 sampai \sqrt{\cdot}, ini hanya bagian atas setengah lingkaran.


🔹 Langkah 2: Evaluasi Integral Dalam (dengan variabel y)

02axx2(x2+y2)dy\int_{0}^{\sqrt{2ax - x^2}} (x^2 + y^2) \, dy

Karena x2x^2 adalah konstanta terhadap yy, kita bisa pisahkan:

=02axx2x2dy+02axx2y2dy= \int_0^{\sqrt{2ax - x^2}} x^2 \, dy + \int_0^{\sqrt{2ax - x^2}} y^2 \, dy

Hitung masing-masing:

a.

02axx2x2dy=x2[y]02axx2=x22axx2\int_0^{\sqrt{2ax - x^2}} x^2 \, dy = x^2 \cdot \left[ y \right]_0^{\sqrt{2ax - x^2}} = x^2 \cdot \sqrt{2ax - x^2}

b.

02axx2y2dy=[13y3]02axx2=13(2axx2)3\int_0^{\sqrt{2ax - x^2}} y^2 \, dy = \left[ \frac{1}{3} y^3 \right]_0^{\sqrt{2ax - x^2}} = \frac{1}{3} \left( \sqrt{2ax - x^2} \right)^3

Gabungkan hasil a dan b:

=x22axx2+13(2axx2)3/2= x^2 \sqrt{2ax - x^2} + \frac{1}{3} (2ax - x^2)^{3/2}


🔹 Langkah 3: Evaluasi Integral Luar (dengan variabel x)

Sekarang kita integralkan:

02a[x22axx2+13(2axx2)3/2]dx\int_{0}^{2a} \left[ x^2 \sqrt{2ax - x^2} + \frac{1}{3} (2ax - x^2)^{3/2} \right] dx

Agar lebih mudah, kita lakukan substitusi trigonometri.


🔹 Langkah 4: Substitusi Trigonometri

Ingat bahwa sebelumnya kita temukan bahwa daerah integral adalah setengah lingkaran dengan jari-jari a. Jadi mari kita lakukan substitusi:

x=a(1cosθ)dx=asinθdθx = a(1 - \cos\theta) \Rightarrow dx = a \sin\theta \, d\theta

Maka:

2axx2=2a[a(1cosθ)][a(1cosθ)]2=2a2(1cosθ)a2(1cosθ)22ax - x^2 = 2a[a(1 - \cos\theta)] - [a(1 - \cos\theta)]^2 = 2a^2(1 - \cos\theta) - a^2(1 - \cos\theta)^2

Hitung:

=a2[2(1cosθ)(12cosθ+cos2θ)]=a2[2(1cosθ)(12cosθ+cos2θ)]=a2[22cosθ1+2cosθcos2θ]=a2(1cos2θ)=a2sin2θ= a^2 \left[ 2(1 - \cos\theta) - (1 - 2\cos\theta + \cos^2\theta) \right] \\ = a^2 \left[ 2(1 - \cos\theta) - (1 - 2\cos\theta + \cos^2\theta) \right] \\ = a^2 \left[ 2 - 2\cos\theta - 1 + 2\cos\theta - \cos^2\theta \right] \\ = a^2 (1 - \cos^2\theta) = a^2 \sin^2\theta

Jadi:

2axx2=asinθdan(2axx2)3/2=(a2sin2θ)3/2=a3sin3θ\sqrt{2ax - x^2} = a \sin\theta \quad \text{dan} \quad (2ax - x^2)^{3/2} = (a^2 \sin^2\theta)^{3/2} = a^3 \sin^3\theta

Dan:

x=a(1cosθ)x2=a2(1cosθ)2x = a(1 - \cos\theta) \Rightarrow x^2 = a^2(1 - \cos\theta)^2


🔹 Langkah 5: Ubah Integral dalam Variabel θ

Integral menjadi:

θ=0π[a2(1cosθ)2asinθ+13a3sin3θ]asinθdθ\int_{\theta=0}^{\pi} \left[ a^2(1 - \cos\theta)^2 \cdot a \sin\theta + \frac{1}{3} a^3 \sin^3\theta \right] \cdot a \sin\theta \, d\theta =0π[a3(1cosθ)2sinθ+13a3sin3θ]sinθdθ= \int_0^{\pi} \left[ a^3(1 - \cos\theta)^2 \sin\theta + \frac{1}{3} a^3 \sin^3\theta \right] \cdot \sin\theta \, d\theta =a30π[(1cosθ)2sin2θ+13sin4θ]dθ= a^3 \int_0^{\pi} \left[ (1 - \cos\theta)^2 \sin^2\theta + \frac{1}{3} \sin^4\theta \right] d\theta

Sekarang tinggal hitung integral ini.


🔹 Langkah 6: Hitung Integral

Kita pecah:

I=0π(1cosθ)2sin2θdθ+130πsin4θdθI = \int_0^{\pi} (1 - \cos\theta)^2 \sin^2\theta \, d\theta + \frac{1}{3} \int_0^{\pi} \sin^4\theta \, d\theta

a. Hitung 0πsin2θ(1cosθ)2dθ\int_0^{\pi} \sin^2\theta (1 - \cos\theta)^2 \, d\theta

Kembangkan:

(1cosθ)2=12cosθ+cos2θ(1 - \cos\theta)^2 = 1 - 2\cos\theta + \cos^2\theta

Jadi:

0πsin2θ(12cosθ+cos2θ)dθ=0π(sin2θ2sin2θcosθ+sin2θcos2θ)dθ\int_0^{\pi} \sin^2\theta (1 - 2\cos\theta + \cos^2\theta) \, d\theta \\ = \int_0^{\pi} \left( \sin^2\theta - 2\sin^2\theta \cos\theta + \sin^2\theta \cos^2\theta \right) d\theta

Gunakan identitas:

  • 0πsin2θdθ=π2\int_0^{\pi} \sin^2\theta \, d\theta = \frac{\pi}{2}

  • 0πsin2θcosθdθ=0\int_0^{\pi} \sin^2\theta \cos\theta \, d\theta = 0 (fungsi ganjil pada [0, π])

  • 0πsin2θcos2θdθ=π8\int_0^{\pi} \sin^2\theta \cos^2\theta \, d\theta = \frac{\pi}{8}

Jadi:

0πsin2θ(1cosθ)2dθ=π2+0+π8=5π8\int_0^{\pi} \sin^2\theta (1 - \cos\theta)^2 \, d\theta = \frac{\pi}{2} + 0 + \frac{\pi}{8} = \frac{5\pi}{8}

b. Hitung 0πsin4θdθ\int_0^{\pi} \sin^4\theta \, d\theta

Gunakan identitas:

sin4θ=3812cos2θ+18cos4θ\sin^4\theta = \frac{3}{8} - \frac{1}{2} \cos 2\theta + \frac{1}{8} \cos 4\theta

Jadi:

0πsin4θdθ=0π(3812cos2θ+18cos4θ)dθ=38π\int_0^{\pi} \sin^4\theta \, d\theta = \int_0^{\pi} \left( \frac{3}{8} - \frac{1}{2} \cos 2\theta + \frac{1}{8} \cos 4\theta \right) d\theta = \frac{3}{8} \pi


🔹 Langkah 7: Gabungkan Semua

=a3(5π8+133π8)=a3(5π8+π8)=a36π8=a33π4\int = a^3 \left( \frac{5\pi}{8} + \frac{1}{3} \cdot \frac{3\pi}{8} \right) = a^3 \left( \frac{5\pi}{8} + \frac{\pi}{8} \right) = a^3 \cdot \frac{6\pi}{8} = a^3 \cdot \frac{3\pi}{4}


Jawaban Akhir:

x=02ay=02axx2(x2+y2)dydx=3π4a3

Comments

Popular Posts