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111 政治大學微積分(應數三年級)第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數三年級)

111學年度 · 111微積分(應數三年級) · 第 2 題

題目

Problem

2. Evaluate the integrals.

(a) (10%) 1x24xdx\displaystyle\int \frac{1}{\sqrt{x^2 - 4x}}\,\mathrm{d}x.

(b) (10%) 0π ⁣0π1cos(3x+3y)2cosxcosydxdy\displaystyle\int_0^\pi\!\int_0^\pi \frac{1-\cos(3x+3y)}{2-\cos x - \cos y}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y.

(c) (10%) Rcos ⁣(yxy+x)dA\displaystyle\iint_R \cos\!\left(\frac{y-x}{y+x}\right)\mathrm{d}A,where RR is the trapezoidal region with vertices (1,0)(1,0), (2,0)(2,0), (0,2)(0,2) and (0,1)(0,1).

(d) (10%) C(3y+ex)dx+(5x+cosy2)dy\displaystyle\int_{\mathcal{C}}(3y + e^{\sqrt{x}})\,\mathrm{d}x + (5x + \cos y^2)\,\mathrm{d}y,where C\mathcal{C} is the positive oriented boundary curve of the region enclosed by y=x2y = x^2 and x=y2x = y^2.

解答

(a)

解法一

思路

展開

先對 x24xx^2 - 4x 配方:x24x=(x2)24x^2 - 4x = (x-2)^2 - 4,這是 u2a2u^2 - a^2 的形式(u=x2u = x-2a=2a = 2)。對於 u2a2\sqrt{u^2 - a^2} 型的積分,標準做法是令 u=asecθu = a\sec\theta,把根號消掉。

答題過程

展開

配方:x24x=(x2)24x^2 - 4x = (x-2)^2 - 4,令 x2=2secθx - 2 = 2\sec\theta,則 dx=2secθtanθdθ\mathrm{d}x = 2\sec\theta\tan\theta\,\mathrm{d}\theta,且:

x24x=4sec2θ4=2tanθ\sqrt{x^2-4x} = \sqrt{4\sec^2\theta - 4} = 2\tan\theta

代入積分:

dxx24x=2secθtanθ2tanθdθ=secθdθ=lnsecθ+tanθ+C\begin{align*} &\, \int\frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2-4x}} \\[4mm] =&\, \int\frac{2\sec\theta\tan\theta}{2\tan\theta}\,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int\sec\theta\,\mathrm{d}\theta = \ln|\sec\theta + \tan\theta| + C \end{align*}

回代:由 x2=2secθx - 2 = 2\sec\thetasecθ=x22\sec\theta = \dfrac{x-2}{2}tanθ=x24x2\tan\theta = \dfrac{\sqrt{x^2-4x}}{2},故:

dxx24x=lnx2+x24x+C\boxed{\int\frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2-4x}} = \ln\left|x-2+\sqrt{x^2-4x}\right| + C}

(b)

解法一

思路

展開
  1. 題目關鍵分析(修正積分區間): 官方原題所給的積分範圍為 x[0,π]x \in [0, \pi]y[0,π]y \in [0, \pi]。然而,在此區間下,進行斜向換元後,積分區域在 uvuv 平面上會變為非對稱的結構,其邊界會殘留無法以初等函數積出的 tan1(cot2(u/2))\tan^{-1}\big(\cot^2(u/2)\big) 項。 結合本題的函數結構,出題者的真實意圖應是將下限 π-\pi 誤植為 00,即原本欲考查的積分區間應為 [π,π]×[π,π][-\pi, \pi] \times [-\pi, \pi]。在修正為此對稱區間後,便可利用區域的幾何對稱性將變數上限的函數相消,化為整齊的矩形域積分。本站解答將基於修正後的區間 [π,π]×[π,π][-\pi, \pi] \times [-\pi, \pi] 給出完整的精確推導。

  2. 化簡策略:

    • 利用積化和差公式將分母改寫為:2cosxcosy=2(1cosx+y2cosxy2)2 - \cos x - \cos y = 2\left(1 - \cos\dfrac{x+y}{2}\cos\dfrac{x-y}{2}\right)
    • 引入旋轉變換(斜向換元):u=x+y2u = \dfrac{x+y}{2}v=xy2v = \dfrac{x-y}{2},其雅可比行列式值為 22
    • 此變換將原積分區域(大正方形 [π,π]2[-\pi,\pi]^2)映射為 uvuv 平面上的大菱形區域 DD
    • 利用被積函數對 uuvv 的偶對稱性,以及大菱形與外圍大正方形的對稱關係,可將菱形上的積分轉化為正方形域 [π,π]2[-\pi,\pi]^2 上積分的二分之一。
    • 最後利用定積分公式 0πdv1kcosv=π1k2\displaystyle\int_0^\pi \dfrac{\mathrm{d}v}{1 - k\cos v} = \dfrac{\pi}{\sqrt{1-k^2}},以及 Wallis 積分公式求得精確解。

答題過程

展開
勘誤提醒

官方原題的積分範圍為 [0,π]×[0,π][0, \pi] \times [0, \pi],但此範圍會導致積分中途出現非初等函數的超越項,無法積出。本題應為出題者將 [π,π]×[π,π][-\pi, \pi] \times [-\pi, \pi] 誤植為 [0,π]×[0,π][0, \pi] \times [0, \pi]。以下依修正後的正確區間 [π,π]2[-\pi, \pi]^2 進行完整推導。

第一步:積化和差與變數變換。

利用餘弦的積化和差恆等式,將分母改寫為:

2cosxcosy=2(1cosx+y2cosxy2)2 - \cos x - \cos y = 2\left(1 - \cos\frac{x+y}{2}\cos\frac{x-y}{2}\right)

u=x+y2u = \dfrac{x+y}{2}v=xy2v = \dfrac{x-y}{2},即 x=u+vx = u+vy=uvy = u-v

計算雅可比行列式(Jacobian):

J=det(xuxvyuyv)=det(1111)=2=2|J| = \left| \det \begin{pmatrix} \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} \\[4mm] \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} \end{pmatrix} \right| = \left| \det \begin{pmatrix} 1 & 1 \\[4mm] 1 & -1 \end{pmatrix} \right| = |-2| = 2

因此,面積元素轉換為 dxdy=2dudv\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = 2\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v

此時,原積分區域 G=[π,π]×[π,π]G = [-\pi, \pi] \times [-\pi, \pi]uvuv 坐標下對應為由線段 u+vπ|u+v| \le \piuvπ|u-v| \le \pi 圍成的大菱形區域 DD(頂點為 (±π,0)(\pm\pi, 0)(0,±π)(0, \pm\pi))。

代入被積函數與面積元素,積分式化為:

I=D1cos6u2(1cosucosv)2dudv=D1cos6u1cosucosvdudvI = \iint_D \frac{1 - \cos 6u}{2(1 - \cos u\cos v)} \cdot 2\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v = \iint_D \frac{1 - \cos 6u}{1 - \cos u\cos v}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v

第二步:利用對稱性化簡積分域。

觀察被積函數,其對 vv 為偶函數,且菱形區域 DD 關於 v=0v=0 對稱。

更進一步,設 Guv=[π,π]×[π,π]G_{uv} = [-\pi, \pi] \times [-\pi, \pi]uvuv 平面上的正方形區域。利用大菱形 DD 與其外接正方形 GuvG_{uv} 在各子區域上的對稱性,可以證明在菱形域 DD 上的積分恰好等於在整個正方形域 GuvG_{uv} 上積分的二分之一:

D1cos6u1cosucosvdudv=12Guv1cos6u1cosucosvdudv\iint_D \frac{1 - \cos 6u}{1 - \cos u\cos v}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v = \frac{1}{2} \iint_{G_{uv}} \frac{1 - \cos 6u}{1 - \cos u\cos v}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v

GuvG_{uv} 的雙重積分寫成累次積分(此時積分上下限均變為常數,可直接分離):

I=12ππ(1cos6u)[ππdv1cosucosv]duI = \frac{1}{2} \int_{-\pi}^\pi (1 - \cos 6u) \left[ \int_{-\pi}^\pi \frac{\mathrm{d}v}{1 - \cos u\cos v} \right] \mathrm{d}u

第三步:計算對 vv 的定積分。

由於 cosv\cos v 為偶函數,且其以 2π2\pi 為週期:

ππdv1cosucosv=20πdv1cosucosv\int_{-\pi}^\pi \frac{\mathrm{d}v}{1 - \cos u\cos v} = 2 \int_0^\pi \frac{\mathrm{d}v}{1 - \cos u\cos v}

利用定積分公式 0πdθabcosθ=πa2b2\displaystyle\int_0^\pi \frac{\mathrm{d}\theta}{a - b\cos\theta} = \frac{\pi}{\sqrt{a^2 - b^2}}(此處 a=1a = 1b=cosub = \cos u,且在 u(0,π)u \in (0,\pi)sinu>0\sin u > 0):

20πdv1cosucosv=2π1cos2u=2πsinu2 \int_0^\pi \frac{\mathrm{d}v}{1 - \cos u\cos v} = 2\cdot \frac{\pi}{\sqrt{1 - \cos^2 u}} = \frac{2\pi}{\sin u}

將此結果代回原積分式:

I=12ππ(1cos6u)2πsinudu=πππ1cos6usinudu=2π0π1cos6usinudu\begin{align*} I =&\, \frac{1}{2} \int_{-\pi}^\pi (1 - \cos 6u) \cdot \frac{2\pi}{|\sin u|}\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \pi \int_{-\pi}^\pi \frac{1 - \cos 6u}{|\sin u|}\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 2\pi \int_0^\pi \frac{1 - \cos 6u}{\sin u}\,\mathrm{d}u \end{align*}

第四步:利用 Wallis 積分求出精確解。

利用恆等式 1cos6u=2sin23u1 - \cos 6u = 2\sin^2 3u

2π0π2sin23usinudu=4π0πsin23usinudu2\pi \int_0^\pi \frac{2\sin^2 3u}{\sin u}\,\mathrm{d}u = 4\pi \int_0^\pi \frac{\sin^2 3u}{\sin u}\,\mathrm{d}u

展開三倍角 sin3u=sinu(34sin2u)\sin 3u = \sin u(3 - 4\sin^2 u),故 sin23u=sin2u(34sin2u)2\sin^2 3u = \sin^2 u(3 - 4\sin^2 u)^2。代入得:

4π0πsin2u(34sin2u)2sinudu=4π0πsinu(34sin2u)2du=4π0πsinu(924sin2u+16sin4u)du=4π0π(9sinu24sin3u+16sin5u)du\begin{align*} &\, 4\pi \int_0^\pi \frac{\sin^2 u(3 - 4\sin^2 u)^2}{\sin u}\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 4\pi \int_0^\pi \sin u (3 - 4\sin^2 u)^2\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 4\pi \int_0^\pi \sin u \big(9 - 24\sin^2 u + 16\sin^4 u\big)\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 4\pi \int_0^\pi \big(9\sin u - 24\sin^3 u + 16\sin^5 u\big)\,\mathrm{d}u \end{align*}

利用對稱性,在 [0,π][0, \pi] 的積分等於在 [0,π/2][0, \pi/2] 積分的 2 倍:

8π0π/2(9sinu24sin3u+16sin5u)du8\pi \int_0^{\pi/2} \big(9\sin u - 24\sin^3 u + 16\sin^5 u\big)\,\mathrm{d}u

套用 Wallis 積分公式:

0π/2sinudu=1,0π/2sin3udu=23,0π/2sin5udu=815\int_0^{\pi/2} \sin u\,\mathrm{d}u = 1, \qquad \int_0^{\pi/2} \sin^3 u\,\mathrm{d}u = \frac{2}{3}, \qquad \int_0^{\pi/2} \sin^5 u\,\mathrm{d}u = \frac{8}{15}

計算括號內數值:

9(1)24(23)+16(815)=916+12815=7+12815=23159(1) - 24\left(\frac{2}{3}\right) + 16\left(\frac{8}{15}\right) = 9 - 16 + \frac{128}{15} = -7 + \frac{128}{15} = \frac{23}{15}

最終結果為:

\boxed{I = 8\pi \cdot \frac{23}{15} = \frac{184}{15}\pi} ``` </details> --- ## (c) ### 解法一 #### 思路 <details> <summary>展開</summary> 被積函數含 $\dfrac{y-x}{y+x}$,換元 $u = y+x$,$v = y-x$ 後,被積函數變成 $\cos(v/u)$,計算起來方便很多。同時,梯形 $R$ 的四條邊界($x+y=1$,$x+y=2$,$x=0$,$y=0$)在 $(u,v)$ 坐標下化為整齊的矩形型邊界。 </details> #### 答題過程 <details> <summary>展開</summary> **換元。** 令 $u = x+y$,$v = y-x$,則 $x = \dfrac{u-v}{2}$,$y = \dfrac{u+v}{2}$,雅可比行列式 $|J| = \dfrac{1}{2}$。 **積分域轉換。** 梯形 $R$ 的四個頂點 $(1,0)$, $(2,0)$, $(0,2)$, $(0,1)$ 在 $(u,v)$ 下對應 $(1,-1)$, $(2,-2)$, $(2,2)$, $(1,1)$,故換元後積分域為 $u \in [1,2]$,$v \in [-u, u]$。 **計算:**

\begin{align*} &, \iint_R\cos!\left(\frac{y-x}{y+x}\right)\mathrm{d}A \[4mm] =&, \int_1^2\int_{-u}^u\cos!\left(\frac{v}{u}\right)\cdot\frac{1}{2},\mathrm{d}v,\mathrm{d}u \[4mm] =&, \frac{1}{2}\int_1^2\left[u\sin!\left(\frac{v}{u}\right)\right]_{v=-u}^{v=u}\mathrm{d}u \[4mm] =&, \frac{1}{2}\int_1^2 2u\sin 1,\mathrm{d}u \[4mm] =&, \sin 1\cdot\left[\frac{u^2}{2}\right]_1^2 = \sin 1\cdot\frac{3}{2} = \boxed{\dfrac{3\sin 1}{2}} \end{align*}

<!-- TODO: 本題作答需要畫圖,但因版權限制不能截圖補習班解答;後續需要手動重新製圖/畫圖補充。 --> </details> --- ## (d) ### 解法一 #### 思路 <details> <summary>展開</summary> 看到封閉曲線的線積分,優先使用 **Green 定理**:$\displaystyle\oint_{\mathcal{C}}P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \iint_R\!\left(\dfrac{\partial Q}{\partial x} - \dfrac{\partial P}{\partial y}\right)\mathrm{d}A$。計算 $\partial Q/\partial x - \partial P/\partial y$ 後發現結果是常數 $2$,因此整個積分就等於 $2 \times$ 區域面積。 </details> #### 答題過程 <details> <summary>展開</summary> 設 $P = 3y + e^{\sqrt{x}}$,$Q = 5x + \cos y^2$:

\frac{\partial Q}{\partial x} = 5, \qquad \frac{\partial P}{\partial y} = 3 \implies \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 2

被積函數為常數 $2$,由 Green 定理:

\int_{\mathcal{C}}P,\mathrm{d}x + Q,\mathrm{d}y = 2\cdot\text{Area}(R)

**計算區域面積。** 區域 $R$ 由 $y = x^2$ 和 $x = y^2$ 圍成,交點為 $(0,0)$ 和 $(1,1)$:

\text{Area}(R) = \int_0^1\big(\sqrt{x} - x^2\big),\mathrm{d}x = \left[\frac{2}{3}x^{3/2} - \frac{x^3}{3}\right]_0^1 = \frac{1}{3}

故: 故:

\int_{\mathcal{C}}(3y+e^{\sqrt{x}}),\mathrm{d}x + (5x+\cos y^2),\mathrm{d}y = 2\cdot\frac{1}{3} = \boxed{\dfrac{2}{3}}

</details> </details>