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112 政治大學微積分 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

112學年度 · 112微積分 · 第 2 題

題目

Problem

2. Evaluate the following integral (8%)

∫01(∫y1ex3 dx)dy .\int_{0}^{1} \left( \int_{\sqrt{y}}^{1} e^{x^3} \,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}y \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 被積函數 ex3e^{x^3} 對自變數 xx 的原函數是非初等函數,無法直接計算內層積分。
  2. 這提示我們必須交換二重積分的順序,改為先對 yy 積分、再對 xx 積分。
  3. 第一步:寫出當前積分區域的邊界不等式:
    • 0≤y≤10 \le y \le 1。
    • y≤x≤1\sqrt{y} \le x \le 1。
  4. 第二步:繪製或分析區域特徵,改寫為先積 yy 形式:
    • 邊界曲線為 x=y  ⟹  y=x2x = \sqrt{y} \implies y = x^2。
    • 自變數 xx 範圍為 [0,1][0, 1]。
    • 對於每個固定的 xx, yy 的變化範圍從下邊界 y=0y = 0 至上邊界曲線 y=x2y = x^2。
    • 新的積分範圍表示為: 0≤x≤10 \le x \le 1 且 0≤y≤x20 \le y \le x^2。
  5. 第三步:寫出新累次積分並求值: ∫01∫0x2ex3 dydx=∫01x2ex3 dx\int_0^1 \int_0^{x^2} e^{x^3} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x = \int_0^1 x^2 e^{x^3} \,\mathrm{d}x 使用換元積分法 u=x3u = x^3 即可輕鬆解出。

答題過程

展開

原積分為先對 xx 後對 yy 的累次積分,我們寫出其積分區域 DD:

D={(x,y)  |  0≤y≤1, y≤x≤1}D = \left\{ (x, y) \;\middle|\; 0 \le y \le 1, \ \sqrt{y} \le x \le 1 \right\}

邊界曲線 x=yx = \sqrt{y} 在 y≥0y \ge 0 時可寫為 y=x2y = x^2。 我們交換積分順序,將區域改寫為先對 yy 後對 xx 積分的表示方式:

  • 自變數 xx 的範圍由 00 變化到 11。
  • 對於任意固定的 xx, yy 軸向上的積分範圍從下底線 y=0y = 0 開始,到曲線 y=x2y = x^2 為止。

因此交換順序後的積分區域表示為:

D={(x,y)  |  0≤x≤1, 0≤y≤x2}D = \left\{ (x, y) \;\middle|\; 0 \le x \le 1, \ 0 \le y \le x^2 \right\}

將其寫為累次積分並計算:

I= ∫01∫0x2ex3 dydx= ∫01ex3(∫0x2dy)dx= ∫01x2ex3 dx\begin{align*} I =&\, \int_0^1 \int_0^{x^2} e^{x^3} \,\mathrm{d}y \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_0^1 e^{x^3} \left( \int_0^{x^2} \mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_0^1 x^2 e^{x^3} \,\mathrm{d}x \end{align*}

我們進行變數代換,令 u=x3  ⟹  du=3x2 dx  ⟹  x2 dx=13 duu = x^3 \implies \mathrm{d}u = 3x^2\,\mathrm{d}x \implies x^2\,\mathrm{d}x = \frac{1}{3}\,\mathrm{d}u。

  • 當 x=0  ⟹  u=0x = 0 \implies u = 0。
  • 當 x=1  ⟹  u=1x = 1 \implies u = 1。

代入得:

I=∫01eu(13du)=13[eu]01=13(e−1)I = \int_0^1 e^u \left( \frac{1}{3} \mathrm{d}u \right) = \frac{1}{3} \Big[ e^u \Big]_0^1 = \frac{1}{3}(e - 1)

結論: 積分值為 e−13\displaystyle \frac{e - 1}{3}。