題目
Problem
- Evaluate each of the following:
(1) x→0limx2∫23x+2ln(t−1)dt (10%)
(2) ∫1+cos2xsinxdx (10%)
(3) ∫014arctan(x)dx (10%)
(4) ∫sin3(x)4dx (10%)
解答
(1) 求解 (1)
過程
展開
當 x→0 時,分子 ∫22ln(t−1)dt=0,分母 02=0,此為 00 型極限。
我們使用微積分第一基本定理與羅必達法則:
x→0limx2∫23x+2ln(t−1)dt=L.H.x→0lim2xln(3x+2−1)⋅3=x→0lim2x3ln(3x+1)
當 x→0 時,此式仍為 00 型。我們可利用等價無窮小量 ln(1+u)∼u(其中 u=3x→0):
x→0lim2x3⋅3x=29
結論:
極限值為 29。
(2) 求解 (2)
過程
展開
我們使用變數代換法(u-substitution),令 u=cosx⟹du=−sinxdx⟹sinxdx=−du:
∫1+cos2xsinxdx=∫1+u2−du=−arctan(u)+C1=−arctan(cosx)+C
結論:
積分值為 −arctan(cosx)+C。
(3) 求解 (3)
過程
展開
我們使用分部積分法 (Integration by Parts):
令 u=4arctanx⟹du=1+x24dx。
令 dv=dx⟹v=x。
則不定積分為:
∫4arctanxdx=4xarctanx−∫1+x24xdx=4xarctanx−2ln(1+x2)
現在代入定積分上下限 [0,1]:
∫014arctanxdx===[4xarctanx−2ln(1+x2)]01(4(1)arctan(1)−2ln(2))−(0−2ln(1))4(4π)−2ln2=π−2ln2
結論:
積分值為 π−2ln2。
(4) 求解 (4)
過程
展開
原被積函數可以寫成餘割函數的立方:
∫sin3x4dx=4∫csc3xdx
我們對 csc3x 使用分部積分法:
令 u=cscx⟹du=−cscxcotxdx。
令 dv=csc2xdx⟹v=−cotx。
則:
∫csc3xdx====−cscxcotx−∫(−cotx)(−cscxcotx)dx−cscxcotx−∫cscxcot2xdx−cscxcotx−∫cscx(csc2x−1)dx−cscxcotx−∫csc3xdx+∫cscxdx
將右側的 ∫csc3xdx 移項至左側:
2∫csc3xdx=−cscxcotx+∫cscxdx
已知 ∫cscxdx=−ln∣cscx+cotx∣=ln∣cscx−cotx∣:
∫csc3xdx=−21cscxcotx+21ln∣cscx−cotx∣
因此,乘上常數 4 得到:
4∫csc3xdx=−2cscxcotx+2ln∣cscx−cotx∣+C
結論:
積分值為 −2cscxcotx+2ln∣cscx−cotx∣+C。