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111 台灣大學微積分(C) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

111學年度 · 111台大微積分C · 第 6 題

題目

Problem

6. Evaluate ∫(1x+tan⁡−1x−π2) dx=(11)‾ .\displaystyle\int \left( \frac{1}{x} + \tan^{-1} x - \frac{\pi}{2} \right)\,\mathrm{d}x = \underline{\quad (11) \quad} \,. (10%)

Determine if the improper integral ∫1∞(1x+tan⁡−1x−π2) dx\displaystyle\int_1^\infty \left( \frac{1}{x} + \tan^{-1} x - \frac{\pi}{2} \right)\,\mathrm{d}x is convergent or divergent. Evaluate the improper integral if it is convergent. (12)‾\underline{\quad (12) \quad}

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 將被積函數拆為三部分分別積分。
  2. 利用分部積分法求得 ∫tan⁡−1x dx=xtan⁡−1x−12ln⁡(1+x2)\int \tan^{-1}x\,\mathrm{d}x = x\tan^{-1}x - \frac{1}{2}\ln(1+x^2)。
  3. 整理合併,常數項 CC 不可遺漏。

答題過程

展開

分項積分:

  • 第一項:

    ∫1x dx=ln⁡∣x∣\int \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x = \ln|x|
  • 第二項(令 u=tan⁡−1x,dv=dx  ⟹  du=11+x2 dx,v=xu = \tan^{-1}x, \mathrm{d}v = \mathrm{d}x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{1+x^2}\,\mathrm{d}x, v = x):

    ∫tan⁡−1x dx=xtan⁡−1x−∫x1+x2 dx=xtan⁡−1x−12ln⁡(1+x2)\int \tan^{-1}x\,\mathrm{d}x = x\tan^{-1}x - \int \frac{x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x = x\tan^{-1}x - \frac{1}{2}\ln(1+x^2)
  • 第三項:

    ∫−π2 dx=−π2x\int -\frac{\pi}{2}\,\mathrm{d}x = -\frac{\pi}{2}x

合併所有結果並整理,引入積分常數 CC:

∫(1x+tan⁡−1x−π2) dx=ln⁡∣x∣+xtan⁡−1x−12ln⁡(1+x2)−π2x+C\int \left( \frac{1}{x} + \tan^{-1} x - \frac{\pi}{2} \right)\,\mathrm{d}x = \ln|x| + x\tan^{-1}x - \frac{1}{2}\ln(1+x^2) - \frac{\pi}{2}x + C

整理可得:

=12ln⁡(x21+x2)+x(tan⁡−1x−π2)+C= \boxed{\frac{1}{2}\ln\left( \frac{x^2}{1+x^2} \right) + x\left( \tan^{-1}x - \frac{\pi}{2} \right) + C}

(b)

解法一

思路

展開
  1. 利用 (a) 求出的不定積分上限取極限: I∞=lim⁡b→∞[12ln⁡(x21+x2)+x(tan⁡−1x−π2)]1bI_{\infty} = \lim_{b\to\infty} \left[ \frac{1}{2}\ln\left( \frac{x^2}{1+x^2} \right) + x\left( \tan^{-1}x - \frac{\pi}{2} \right) \right]_1^b
  2. 當 b→∞b\to\infty 時,第一項趨近於 12ln⁡(1)=0\frac{1}{2}\ln(1) = 0。
  3. 對於第二項,利用羅必達法則求解未定式極限 lim⁡b→∞b(tan⁡−1b−π2)=−1\lim_{b\to\infty} b\left( \tan^{-1}b - \frac{\pi}{2} \right) = -1。
  4. 減去下限 x=1x=1 的值,得出最終積分結果。

答題過程

展開

根據反常積分定義:

∫1∞(1x+tan⁡−1x−π2) dx=lim⁡b→∞[12ln⁡(x21+x2)+x(tan⁡−1x−π2)]1b\int_1^\infty \left( \frac{1}{x} + \tan^{-1} x - \frac{\pi}{2} \right)\,\mathrm{d}x = \lim_{b\to\infty} \left[ \frac{1}{2}\ln\left( \frac{x^2}{1+x^2} \right) + x\left( \tan^{-1}x - \frac{\pi}{2} \right) \right]_1^b
1. 計算上限 b→∞b \to \infty 的極限值:
  • 第一部分:

    lim⁡b→∞12ln⁡(b21+b2)=12ln⁡(1)=0\lim_{b\to\infty} \frac{1}{2}\ln\left( \frac{b^2}{1+b^2} \right) = \frac{1}{2}\ln(1) = 0
  • 第二部分(∞⋅0\infty \cdot 0 型,轉為分數後以羅必達法則求解):

    lim⁡b→∞b(tan⁡−1b−π2)=lim⁡b→∞tan⁡−1b−π21b=L.H.lim⁡b→∞11+b2−1b2=lim⁡b→∞−b21+b2=−1\lim_{b\to\infty} b\left( \tan^{-1}b - \frac{\pi}{2} \right) = \lim_{b\to\infty} \frac{\tan^{-1}b - \frac{\pi}{2}}{\frac{1}{b}} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{b\to\infty} \frac{\frac{1}{1+b^2}}{-\frac{1}{b^2}} = \lim_{b\to\infty} -\frac{b^2}{1+b^2} = -1

故上限之極限值為 0−1=−10 - 1 = -1。

2. 計算下限 x=1x=1 的值:
12ln⁡(12)+1(tan⁡−1(1)−π2)=−12ln⁡2+(π4−π2)=−12ln⁡2−π4\frac{1}{2}\ln\left(\frac{1}{2}\right) + 1\left(\tan^{-1}(1) - \frac{\pi}{2}\right) = -\frac{1}{2}\ln 2 + \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{2} \right) = -\frac{1}{2}\ln 2 - \frac{\pi}{4}
3. 計算差值:
I∞=−1−(−12ln⁡2−π4)=12ln⁡2+π4−1I_{\infty} = -1 - \left( -\frac{1}{2}\ln 2 - \frac{\pi}{4} \right) = \frac{1}{2}\ln 2 + \frac{\pi}{4} - 1

因此,該反常積分收斂,其值為 12ln⁡2+π4−1\displaystyle\boxed{\frac{1}{2}\ln 2 + \frac{\pi}{4} - 1}。