Question Number 110450 by mathmax by abdo last updated on 29/Aug/20
$$\mathrm{find}\:\int\int_{\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]^{\mathrm{2}} } \:\:\:\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} \right)\:\mathrm{e}^{−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} } \:\mathrm{dxdy} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 31/Aug/20
$$\mathrm{I}\:=\int\int_{\left[\mathrm{0},\mathrm{1}\right]} \:\:\mathrm{ln}\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{e}^{−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} } \mathrm{dxdy}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{consider}\:\mathrm{the}\:\mathrm{diffeomorphism} \\ $$$$\varphi\left(\mathrm{r},\theta\right)\:=\left(\mathrm{x},\mathrm{y}\right)\:=\left(\mathrm{rcos}\theta\:,\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{sin}\theta\right)\:=\left(\varphi_{\mathrm{1}} \:,\varphi_{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\mathrm{M}_{\mathrm{j}} \varphi\:\:=\begin{pmatrix}{\frac{\partial\varphi_{\mathrm{1}} }{\partial\mathrm{r}}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\partial\varphi_{\mathrm{1}} }{\partial\theta}}\\{\frac{\partial\varphi_{\mathrm{2}} }{\partial\mathrm{r}}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\partial\varphi_{\mathrm{2}} }{\partial\theta}}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}{\mathrm{cos}\theta\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:−\mathrm{rsin}\theta}\\{\frac{\mathrm{sin}\theta}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{cos}\theta}\end{pmatrix} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{det}\:\mathrm{M}_{\mathrm{j}} =\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \theta+\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \theta\:=\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\: \\ $$$$\begin{cases}{\mathrm{0}\leqslant\mathrm{x}\leqslant\mathrm{1}}\\{\mathrm{0}\leqslant\mathrm{y}\leqslant\mathrm{1}}\end{cases}\:\:\:\Rightarrow\:\begin{cases}{\mathrm{0}\leqslant\mathrm{x}\leqslant\mathrm{1}\:\:\:\:\:\:\:\:\:\Rightarrow\:\:\mathrm{0}\leqslant\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{3y}^{\mathrm{2}} \:\leqslant\mathrm{4}\:\Rightarrow\mathrm{0}\leqslant\mathrm{r}\leqslant\mathrm{2}\:\Rightarrow}\\{\mathrm{0}\leqslant\sqrt{\mathrm{3}}\mathrm{y}\leqslant\sqrt{\mathrm{3}}}\end{cases} \\ $$$$\mathrm{I}\:=\int\int_{\mathrm{0}\leqslant\mathrm{r}\leqslant\mathrm{2}\:\:\mathrm{and}\:\:\mathrm{0}\leqslant\theta\leqslant\frac{\pi}{\mathrm{2}}} \:\:\:\mathrm{ln}\left(\mathrm{r}^{\mathrm{2}} \right)\:\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \:\:\frac{\mathrm{r}}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\:\mathrm{dr}\:\mathrm{d}\theta \\ $$$$=\frac{\pi}{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\mathrm{2r}\:\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \mathrm{ln}\left(\mathrm{r}\right)\mathrm{dr}\:\:=\frac{\pi}{\:\sqrt{\mathrm{3}}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\mathrm{r}\:\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \mathrm{ln}\left(\mathrm{r}\right)\:\mathrm{dr}\:\:\mathrm{by}\:\mathrm{parts} \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\:\mathrm{r}\:\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \mathrm{ln}\left(\mathrm{r}\right)\mathrm{dr}\:=\left[−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \right)\:\mathrm{ln}\left(\mathrm{r}\right)\right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \right)\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{r}} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{4}} \right)\left(\mathrm{ln4}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\frac{\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{r}}\:\mathrm{dr} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}−\:\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } \:=−\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{r}^{\mathrm{2n}} }{\mathrm{n}!}\:=−\mathrm{1}+\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{r}^{\mathrm{2n}} }{\mathrm{n}!}\:\Rightarrow \\ $$$$\frac{\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{r}}\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{r}^{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} }{\mathrm{n}!}\:\Rightarrow \\ $$$$\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\frac{\mathrm{1}−\mathrm{e}^{−\mathrm{r}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{r}}\:\mathrm{dr}\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{2}} \:\mathrm{r}^{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} \:\mathrm{dr} \\ $$$$=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}!}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2n}}\left(\mathrm{2}\right)^{\mathrm{2n}} \right)\:=\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{4}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{2n}\left(\mathrm{n}!\right)}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{I}\:=\left(\mathrm{e}^{−\mathrm{4}} −\mathrm{1}\right)\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}\right)\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\:\sum_{\mathrm{n}=\mathrm{1}} ^{\infty} \:\frac{\left(−\mathrm{4}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{n}\left(\mathrm{n}!\right)} \\ $$$$ \\ $$