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112 政治大學微積分(應數大二二) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

112學年度 · 112微積分應數大二二 · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate each of the following: (1) lim⁡x→0∫23x+2ln⁡(t−1) dtx2\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{\int_2^{3x+2} \ln(t-1)\,\mathrm{d}t}{x^2} (10%) (2) ∫sin⁡x1+cos⁡2x dx\displaystyle \int \frac{\sin x}{1 + \cos^2 x} \,\mathrm{d}x (10%) (3) ∫014arctan⁡(x) dx\displaystyle \int_0^1 4\arctan(x) \,\mathrm{d}x (10%) (4) ∫4sin⁡3(x) dx\displaystyle \int \frac{4}{\sin^3(x)} \,\mathrm{d}x (10%)

解答

(1) 求解 (1)

過程

展開

當 x→0x \to 0 時,分子 ∫22ln⁡(t−1) dt=0\int_2^2 \ln(t-1)\,\mathrm{d}t = 0,分母 02=00^2 = 0,此為 00\frac{0}{0} 型極限。 我們使用微積分第一基本定理與羅必達法則:

lim⁡x→0∫23x+2ln⁡(t−1) dtx2=L.H.lim⁡x→0ln⁡(3x+2−1)⋅32x=lim⁡x→03ln⁡(3x+1)2x\lim_{x \to 0} \frac{\int_2^{3x+2} \ln(t-1)\,\mathrm{d}t}{x^2} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x \to 0} \frac{\ln(3x + 2 - 1) \cdot 3}{2x} = \lim_{x \to 0} \frac{3 \ln(3x + 1)}{2x}

當 x→0x \to 0 時,此式仍為 00\frac{0}{0} 型。我們可利用等價無窮小量 ln⁡(1+u)∼u\ln(1+u) \sim u(其中 u=3x→0u = 3x \to 0):

lim⁡x→03⋅3x2x=92\lim_{x \to 0} \frac{3 \cdot 3x}{2x} = \frac{9}{2}

結論: 極限值為 92\displaystyle \frac{9}{2}。


(2) 求解 (2)

過程

展開

我們使用變數代換法(uu-substitution),令 u=cos⁡x  ⟹  du=−sin⁡x dx  ⟹  sin⁡x dx=−duu = \cos x \implies \mathrm{d}u = -\sin x\,\mathrm{d}x \implies \sin x\,\mathrm{d}x = -\mathrm{d}u:

∫sin⁡x1+cos⁡2x dx=∫−du1+u2=−arctan⁡(u)+C1=−arctan⁡(cos⁡x)+C\int \frac{\sin x}{1 + \cos^2 x} \,\mathrm{d}x = \int \frac{-\mathrm{d}u}{1 + u^2} = -\arctan(u) + C_1 = -\arctan(\cos x) + C

結論: 積分值為 −arctan⁡(cos⁡x)+C-\arctan(\cos x) + C。


(3) 求解 (3)

過程

展開

我們使用分部積分法 (Integration by Parts): 令 u=4arctan⁡x  ⟹  du=41+x2 dxu = 4\arctan x \implies \mathrm{d}u = \frac{4}{1+x^2} \,\mathrm{d}x。 令 dv=dx  ⟹  v=x\mathrm{d}v = \mathrm{d}x \implies v = x。

則不定積分為:

∫4arctan⁡x dx=4xarctan⁡x−∫4x1+x2 dx=4xarctan⁡x−2ln⁡(1+x2)\int 4\arctan x \,\mathrm{d}x = 4x\arctan x - \int \frac{4x}{1+x^2} \,\mathrm{d}x = 4x\arctan x - 2\ln\left(1 + x^2\right)

現在代入定積分上下限 [0,1][0, 1]:

∫014arctan⁡x dx= [4xarctan⁡x−2ln⁡(1+x2)]01= (4(1)arctan⁡(1)−2ln⁡(2))−(0−2ln⁡(1))= 4(π4)−2ln⁡2=π−2ln⁡2\begin{align*} \int_0^1 4\arctan x \,\mathrm{d}x =&\, \Big[ 4x\arctan x - 2\ln(1 + x^2) \Big]_0^1 \\[2mm] =&\, \left( 4(1)\arctan(1) - 2\ln(2) \right) - \left( 0 - 2\ln(1) \right) \\[2mm] =&\, 4\left(\frac{\pi}{4}\right) - 2\ln 2 = \pi - 2\ln 2 \end{align*}

結論: 積分值為 π−2ln⁡2\pi - 2\ln 2。


(4) 求解 (4)

過程

展開

原被積函數可以寫成餘割函數的立方:

∫4sin⁡3x dx=4∫csc⁡3x dx\int \frac{4}{\sin^3 x} \,\mathrm{d}x = 4 \int \csc^3 x \,\mathrm{d}x

我們對 csc⁡3x\csc^3 x 使用分部積分法: 令 u=csc⁡x  ⟹  du=−csc⁡xcot⁡x dxu = \csc x \implies \mathrm{d}u = -\csc x \cot x \,\mathrm{d}x。 令 dv=csc⁡2x dx  ⟹  v=−cot⁡x\mathrm{d}v = \csc^2 x \,\mathrm{d}x \implies v = -\cot x。

則:

∫csc⁡3x dx= −csc⁡xcot⁡x−∫(−cot⁡x)(−csc⁡xcot⁡x) dx= −csc⁡xcot⁡x−∫csc⁡xcot⁡2x dx= −csc⁡xcot⁡x−∫csc⁡x(csc⁡2x−1) dx= −csc⁡xcot⁡x−∫csc⁡3x dx+∫csc⁡x dx\begin{align*} \int \csc^3 x \,\mathrm{d}x =&\, -\csc x \cot x - \int (-\cot x)(-\csc x \cot x) \,\mathrm{d}x \\[2mm] =&\, -\csc x \cot x - \int \csc x \cot^2 x \,\mathrm{d}x \\[2mm] =&\, -\csc x \cot x - \int \csc x \left( \csc^2 x - 1 \right) \,\mathrm{d}x \\[2mm] =&\, -\csc x \cot x - \int \csc^3 x \,\mathrm{d}x + \int \csc x \,\mathrm{d}x \end{align*}

將右側的 ∫csc⁡3x dx\int \csc^3 x\,\mathrm{d}x 移項至左側:

2∫csc⁡3x dx=−csc⁡xcot⁡x+∫csc⁡x dx2 \int \csc^3 x \,\mathrm{d}x = -\csc x \cot x + \int \csc x \,\mathrm{d}x

已知 ∫csc⁡x dx=−ln⁡∣csc⁡x+cot⁡x∣=ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣\int \csc x\,\mathrm{d}x = -\ln|\csc x + \cot x| = \ln|\csc x - \cot x|:

∫csc⁡3x dx=−12csc⁡xcot⁡x+12ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣\int \csc^3 x \,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2}\csc x \cot x + \frac{1}{2}\ln|\csc x - \cot x|

因此,乘上常數 4 得到:

4∫csc⁡3x dx=−2csc⁡xcot⁡x+2ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣+C4 \int \csc^3 x \,\mathrm{d}x = -2\csc x \cot x + 2\ln|\csc x - \cot x| + C

結論: 積分值為 −2csc⁡xcot⁡x+2ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣+C-2\csc x \cot x + 2\ln|\csc x - \cot x| + C。