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113 政大微積分(應數大二二) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

113學年度 · 113微積分(應數大二二) · 第 2 題

題目

Problem

Evaluate the integrals.

(1) (10%) ∫0π/2cos⁡xsin⁡(sin⁡x) dx\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} \cos x \sin(\sin x) \,\mathrm{d}x

(2) (10%) ∫0π/4sec⁡3x dx\displaystyle \int_{0}^{\pi/4} \sec^3 x \,\mathrm{d}x

(3) (10%) ∫01ln⁡x dx\displaystyle \int_{0}^{1} \ln x \,\mathrm{d}x

解答

解法一

思路

展開

本題包含三個獨立的積分計算。

(1) 計算 ∫0π/2cos⁡xsin⁡(sin⁡x) dx\int_{0}^{\pi/2} \cos x \sin(\sin x) \,\mathrm{d}x

  • 觀察被積函數,含有複合函數 sin⁡(sin⁡x)\sin(\sin x),且外面乘上 cos⁡x\cos x(剛好是正弦的導數)。這強烈提示我們使用代換積分法 (Integration by Substitution)。
  • 令 u=sin⁡x  ⟹  du=cos⁡x dxu = \sin x \implies \mathrm{d}u = \cos x \,\mathrm{d}x。
  • 對應更改積分限:當 x=0  ⟹  u=0x=0 \implies u=0;當 x=π/2  ⟹  u=1x=\pi/2 \implies u=1。
  • 積分變為 ∫01sin⁡u du\int_0^1 \sin u \,\mathrm{d}u。

(2) 計算 ∫0π/4sec⁡3x dx\int_{0}^{\pi/4} \sec^3 x \,\mathrm{d}x

  • 正割奇次方積分 sec⁡3x\sec^3 x 是非常經典的積分題,通常使用分部積分法 (Integration by Parts): ∫u dv=uv−∫v du\int u \,\mathrm{d}v = uv - \int v \,\mathrm{d}u
    • 令 u=sec⁡x  ⟹  du=sec⁡xtan⁡x dxu = \sec x \implies \mathrm{d}u = \sec x \tan x \,\mathrm{d}x。
    • 令 dv=sec⁡2x dx  ⟹  v=tan⁡x\mathrm{d}v = \sec^2 x \,\mathrm{d}x \implies v = \tan x。
  • 利用恆等式 tan⁡2x=sec⁡2x−1\tan^2 x = \sec^2 x - 1 進行化簡,將同類項 ∫sec⁡3x dx\int \sec^3 x \,\mathrm{d}x 移項合併。
  • 最後代入上限 π/4\pi/4 與下限 00 求值。

(3) 計算 ∫01ln⁡x dx\int_{0}^{1} \ln x \,\mathrm{d}x

  • 由於在下限 x→0+x \to 0^+ 時, ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty,這是一個反常積分 (Improper Integral)。
  • 我們需要將其寫成極限形式: lim⁡s→0+∫s1ln⁡x dx\lim_{s \to 0^+} \int_{s}^{1} \ln x \,\mathrm{d}x
  • 利用分部積分法求出對數函數的積分: ∫ln⁡x dx=xln⁡x−x\int \ln x \,\mathrm{d}x = x\ln x - x。
  • 利用洛必達法則求極限 lim⁡s→0+sln⁡s\lim_{s\to 0^+} s\ln s 的值。

答題過程

展開

(1) 計算 ∫0π/2cos⁡xsin⁡(sin⁡x) dx\int_{0}^{\pi/2} \cos x \sin(\sin x) \,\mathrm{d}x

我們使用代換積分法。令:

u=sin⁡x  ⟹  du=cos⁡x dxu = \sin x \implies \mathrm{d}u = \cos x \,\mathrm{d}x

變更積分限:

  • 當 x=0x = 0 時, u=sin⁡0=0u = \sin 0 = 0。
  • 當 x=π2x = \frac{\pi}{2} 時, u=sin⁡(π2)=1u = \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1。

代入積分式:

∫0π/2cos⁡xsin⁡(sin⁡x) dx= ∫01sin⁡u du= [−cos⁡u]01= −cos⁡1−(−cos⁡0)= 1−cos⁡1\begin{align*} \int_{0}^{\pi/2} \cos x \sin(\sin x) \,\mathrm{d}x =&\, \int_{0}^{1} \sin u \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \Big[ -\cos u \Big]_{0}^{1} \\[4mm] =&\, -\cos 1 - (-\cos 0) \\[4mm] =&\, 1 - \cos 1 \end{align*}

(2) 計算 ∫0π/4sec⁡3x dx\int_{0}^{\pi/4} \sec^3 x \,\mathrm{d}x

我們使用分部積分法,令:

u=sec⁡x  ⟹  du=sec⁡xtan⁡x dxu = \sec x \implies \mathrm{d}u = \sec x \tan x \,\mathrm{d}x dv=sec⁡2x dx  ⟹  v=tan⁡x\mathrm{d}v = \sec^2 x \,\mathrm{d}x \implies v = \tan x

套用分部積分公式:

∫sec⁡3x dx= sec⁡xtan⁡x−∫tan⁡x⋅(sec⁡xtan⁡x dx)= sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡xtan⁡2x dx\begin{align*} \int \sec^3 x \,\mathrm{d}x =&\, \sec x \tan x - \int \tan x \cdot \left( \sec x \tan x \,\mathrm{d}x \right) \\[4mm] =&\, \sec x \tan x - \int \sec x \tan^2 x \,\mathrm{d}x \end{align*}

利用三角恆等式 tan⁡2x=sec⁡2x−1\tan^2 x = \sec^2 x - 1 代入:

∫sec⁡3x dx= sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡x(sec⁡2x−1)dx= sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡3x dx+∫sec⁡x dx\begin{align*} \int \sec^3 x \,\mathrm{d}x =&\, \sec x \tan x - \int \sec x \left( \sec^2 x - 1 \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \sec x \tan x - \int \sec^3 x \,\mathrm{d}x + \int \sec x \,\mathrm{d}x \end{align*}

將等號右邊的 ∫sec⁡3x dx\int \sec^3 x \,\mathrm{d}x 移至左邊合併:

2∫sec⁡3x dx=sec⁡xtan⁡x+ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣2 \int \sec^3 x \,\mathrm{d}x = \sec x \tan x + \ln|\sec x + \tan x|

由此得到不定積分公式:

∫sec⁡3x dx=12(sec⁡xtan⁡x+ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣)\int \sec^3 x \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} \Big( \sec x \tan x + \ln|\sec x + \tan x| \Big)

現在代入積分上下限 [0,π4][0, \frac{\pi}{4}]:

∫0π/4sec⁡3x dx= 12[sec⁡xtan⁡x+ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣]0π/4= 12(sec⁡(π4)tan⁡(π4)+ln⁡∣sec⁡(π4)+tan⁡(π4)∣)−12(sec⁡(0)tan⁡(0)+ln⁡∣sec⁡(0)+tan⁡(0)∣)\begin{align*} \int_{0}^{\pi/4} \sec^3 x \,\mathrm{d}x =&\, \frac{1}{2} \Big[ \sec x \tan x + \ln|\sec x + \tan x| \Big]_{0}^{\pi/4} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \sec\left(\frac{\pi}{4}\right)\tan\left(\frac{\pi}{4}\right) + \ln\left|\sec\left(\frac{\pi}{4}\right) + \tan\left(\frac{\pi}{4}\right)\right| \right) - \frac{1}{2} \Big( \sec(0)\tan(0) + \ln|\sec(0) + \tan(0)| \Big) \end{align*}

已知:

  • sec⁡π4=2\sec\frac{\pi}{4} = \sqrt{2}, tan⁡π4=1\tan\frac{\pi}{4} = 1
  • sec⁡0=1\sec 0 = 1, tan⁡0=0\tan 0 = 0

將數值代入:

∫0π/4sec⁡3x dx= 12(2(1)+ln⁡∣2+1∣)−12(1(0)+ln⁡∣1+0∣)= 12(2+ln⁡(2+1))\begin{align*} \int_{0}^{\pi/4} \sec^3 x \,\mathrm{d}x =&\, \frac{1}{2} \Big( \sqrt{2}(1) + \ln|\sqrt{2} + 1| \Big) - \frac{1}{2} \Big( 1(0) + \ln|1 + 0| \Big) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \Big( \sqrt{2} + \ln(\sqrt{2} + 1) \Big) \end{align*}

(3) 計算 ∫01ln⁡x dx\int_{0}^{1} \ln x \,\mathrm{d}x

因為在 x→0+x \to 0^+ 時 ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty,所以這是第二類反常積分。我們將其寫為極限形式:

I=lim⁡s→0+∫s1ln⁡x dxI = \lim_{s \to 0^+} \int_{s}^{1} \ln x \,\mathrm{d}x

先對 ∫ln⁡x dx\int \ln x \,\mathrm{d}x 使用分部積分法(令 u=ln⁡x,dv=dxu = \ln x, \mathrm{d}v = \mathrm{d}x):

∫ln⁡x dx=xln⁡x−∫x⋅(1x)dx=xln⁡x−x\int \ln x \,\mathrm{d}x = x\ln x - \int x \cdot \left(\frac{1}{x}\right)\mathrm{d}x = x\ln x - x

將定積分上限 11 與下限 ss 代入:

∫s1ln⁡x dx=[xln⁡x−x]s1=(1ln⁡1−1)−(sln⁡s−s)=−1−sln⁡s+s\int_{s}^{1} \ln x \,\mathrm{d}x = \Big[ x\ln x - x \Big]_{s}^{1} = (1\ln 1 - 1) - (s\ln s - s) = -1 - s\ln s + s

現在取 s→0+s \to 0^+ 的極限。我們單獨使用羅必達法則計算 lim⁡s→0+sln⁡s\lim_{s \to 0^+} s\ln s:

lim⁡s→0+sln⁡s=lim⁡s→0+ln⁡s1s=L.H.lim⁡s→0+1s−1s2=lim⁡s→0+(−s)=0\lim_{s \to 0^+} s\ln s = \lim_{s \to 0^+} \frac{\ln s}{\frac{1}{s}} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{s \to 0^+} \frac{\frac{1}{s}}{-\frac{1}{s^2}} = \lim_{s \to 0^+} (-s) = 0

因此:

I=lim⁡s→0+(−1−sln⁡s+s)=−1−0+0=−1I = \lim_{s \to 0^+} (-1 - s\ln s + s) = -1 - 0 + 0 = -1

結論:

  1. 積分值為 1−cos⁡11 - \cos 1
  2. 積分值為 12(2+ln⁡(2+1))\frac{1}{2}\big(\sqrt{2} + \ln(\sqrt{2} + 1)\big)
  3. 積分值為 −1-1