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Evaluate the integral. \[ \int_{0}^{a} 9 x^{2} \sqrt{a^{2}-x^{2}} d x \] \( \square \)

Ask by Watkins Vargas. in the United States
Feb 25,2025

Solución de inteligencia artificial de Upstudy

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The integral evaluates to \( \frac{9\pi a^4}{16} \).

Solución

We wish to evaluate   I = ∫₀ᵃ 9 x² √(a² − x²) dx. Step 1. Substitute x = a sinθ.   Then, dx = a cosθ dθ, and   √(a² − x²) = √(a² − a² sin²θ) = a cosθ.   Also, when x = 0, sinθ = 0 so θ = 0; and when x = a, sinθ = 1 so θ = π/2. Step 2. Rewrite the integral in terms of θ:   x² becomes (a sinθ)² = a² sin²θ. Thus,   I = ∫₀^(π/2) 9 (a² sin²θ) (a cosθ) (a cosθ dθ)     = 9 a⁴ ∫₀^(π/2) sin²θ cos²θ dθ. Step 3. Simplify the integrand using a trigonometric identity:   We know sinθ cosθ = ½ sin2θ, so:   sin²θ cos²θ = (½ sin2θ)² = ¼ sin²2θ. Thus,   I = 9 a⁴ (1/4) ∫₀^(π/2) sin²2θ dθ     = (9a⁴/4) ∫₀^(π/2) sin²2θ dθ. Step 4. Evaluate ∫₀^(π/2) sin²2θ dθ.   Use the identity: sin²u = (1 − cos2u)/2. Let u = 2θ so that:   sin²2θ = (1 − cos4θ)/2.   Then,   ∫₀^(π/2) sin²2θ dθ = (1/2) ∫₀^(π/2) (1 − cos4θ) dθ. Integrate:   ∫₀^(π/2) 1 dθ = (π/2),   ∫₀^(π/2) cos4θ dθ = [ (1/4) sin4θ ]₀^(π/2) = (1/4)[sin(2π) − sin0] = 0. Thus,   ∫₀^(π/2) sin²2θ dθ = (1/2)(π/2) = π/4. Step 5. Substitute back into I:   I = (9a⁴/4) * (π/4) = (9πa⁴)/16. Thus, the evaluated integral is   (9πa⁴)/16. So, the final answer is:   ∫₀ᵃ 9x² √(a² − x²) dx = (9πa⁴)/16.

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The Deep Dive

To evaluate the integral \[ I = \int_{0}^{a} 9 x^{2} \sqrt{a^{2}-x^{2}} \, dx, \] we can use the method of integration by parts or a trigonometric substitution. Here, we will use the trigonometric substitution \( x = a \sin(\theta) \), which gives us \( dx = a \cos(\theta) \, d\theta \). The limits change as follows: when \( x = 0 \), \( \theta = 0 \), and when \( x = a \), \( \theta = \frac{\pi}{2} \). Now substituting into the integral, we have: \[ I = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 9 (a \sin(\theta))^2 \sqrt{a^2 - (a \sin(\theta))^2} \cdot a \cos(\theta) \, d\theta. \] Simplifying the square root, we get: \[ \sqrt{a^2 - a^2 \sin^2(\theta)} = \sqrt{a^2 (1 - \sin^2(\theta))} = a \cos(\theta). \] Thus, the integral becomes: \[ I = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} 9 a^2 \sin^2(\theta) \cdot a \cos(\theta) \cdot a \cos(\theta) \, d\theta = 9 a^4 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2(\theta) \cos^2(\theta) \, d\theta. \] Now we can use the identity \( \sin^2(\theta) \cos^2(\theta) = \frac{1}{4} \sin^2(2\theta) \): \[ I = 9 a^4 \cdot \frac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2(2\theta) \, d\theta. \] To find \( \int \sin^2(2\theta) \, d\theta \), we can use integration by parts or the formula: \[ \int \sin^2(x) \, dx = \frac{x}{2} - \frac{\sin(2x)}{4} + C. \] So, \[ \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2(2\theta) \, d\theta = \left[ \frac{2\theta}{2} - \frac{\sin(2 \cdot 2\theta)}{4} \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \left[ \theta - \frac{\sin(4\theta)}{4} \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}}. \] Evaluating this gives: \[ \left[ \frac{\pi}{2} - 0 \right] - \left[ 0 - 0 \right] = \frac{\pi}{2}. \] Substituting back, we have: \[ I = 9 a^4 \cdot \frac{1}{4} \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{9 \pi a^4}{8}. \] Therefore, the value of the integral is: \[ \boxed{\frac{9 \pi a^4}{8}}. \]

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