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111 政治大學微積分(財政)第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(財政)

111學年度 · 111微積分(財政) · 第 5 題

題目

Problem

5. ∫−π/2π/2(sin⁡3x⋅e−x2+cos⁡2x) dx=‾\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}(\sin^3 x\cdot e^{-x^2} + \cos^2 x)\,\mathrm{d}x = \underline{\hspace{3cm}}.

解答

解法一

思路

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  1. 積分區間 [−π/2,π/2][-\pi/2, \pi/2] 是關於原點對稱的。此時,奇函數的積分為零,偶函數的積分可以簡化為半區間的兩倍。所以先判斷兩個被積函數各自的奇偶性。
  2. sin⁡3x⋅e−x2\sin^3 x\cdot e^{-x^2}:sin⁡3(−x)=−sin⁡3x\sin^3(-x) = -\sin^3 x,e−(−x)2=e−x2e^{-(-x)^2} = e^{-x^2}(偶),兩者相乘是奇函數,積分為 00。
  3. cos⁡2x\cos^2 x:cos⁡2(−x)=cos⁡2x\cos^2(-x) = \cos^2 x,是偶函數,積分可化為 2∫0π/2cos⁡2x dx2\int_0^{\pi/2}\cos^2 x\,\mathrm{d}x,用 Wallis 公式算。

答題過程

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把被積函數拆成兩部分,分別處理:

第一部分:∫−π/2π/2sin⁡3x⋅e−x2 dx\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\sin^3 x\cdot e^{-x^2}\,\mathrm{d}x。

令 h(x)=sin⁡3x⋅e−x2h(x) = \sin^3 x\cdot e^{-x^2},計算 h(−x)=sin⁡3(−x)⋅e−(−x)2=−sin⁡3x⋅e−x2=−h(x)h(-x) = \sin^3(-x)\cdot e^{-(-x)^2} = -\sin^3 x\cdot e^{-x^2} = -h(x),hh 是奇函數。在對稱區間上,奇函數積分為 00:

∫−π/2π/2sin⁡3x⋅e−x2 dx=0\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\sin^3 x\cdot e^{-x^2}\,\mathrm{d}x = 0

第二部分:∫−π/2π/2cos⁡2x dx\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2 x\,\mathrm{d}x。

cos⁡2x\cos^2 x 是偶函數,積分化為:

2∫0π/2cos⁡2x dx2\int_0^{\pi/2}\cos^2 x\,\mathrm{d}x

利用半角公式 cos⁡2x=1+cos⁡2x2\cos^2 x = \dfrac{1+\cos 2x}{2}:

2∫0π/21+cos⁡2x2 dx=∫0π/2(1+cos⁡2x) dx=[x+sin⁡2x2]0π/2=π22\int_0^{\pi/2}\frac{1+\cos 2x}{2}\,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2}(1+\cos 2x)\,\mathrm{d}x = \left[x + \frac{\sin 2x}{2}\right]_0^{\pi/2} = \frac{\pi}{2}

結論:

∫−π/2π/2(sin⁡3x⋅e−x2+cos⁡2x) dx=0+π2=π2\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\big(\sin^3 x\cdot e^{-x^2} + \cos^2 x\big)\,\mathrm{d}x = 0 + \frac{\pi}{2} = \boxed{\dfrac{\pi}{2}}