Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

113 政大微積分 Part A 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 1 題

題目

Problem

Question 1: [5pts] Evaluate

∫02dx(x2+4)2\int_{0}^{2} \frac{\mathrm{d}x}{(x^2 + 4)^2}

by making the substitution x=2tan⁡ux = 2 \tan u.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算一個定積分,題目已指定使用三角代換法(Trigonometric Substitution),令 x=2tan⁡ux = 2\tan u。
  2. 第一步:微分與代換:
    • x=2tan⁡u  ⟹  dx=2sec⁡2u dux = 2\tan u \implies \mathrm{d}x = 2\sec^2 u \,\mathrm{d}u。
    • 分母項: x2+4=4tan⁡2u+4=4(tan⁡2u+1)=4sec⁡2ux^2 + 4 = 4\tan^2 u + 4 = 4(\tan^2 u + 1) = 4\sec^2 u。
    • 因此, (x2+4)2=(4sec⁡2u)2=16sec⁡4u(x^2+4)^2 = (4\sec^2 u)^2 = 16\sec^4 u。
  3. 第二步:更換積分上下限:
    • 當下限 x=0x = 0 時: 2tan⁡u=0  ⟹  tan⁡u=0  ⟹  u=02\tan u = 0 \implies \tan u = 0 \implies u = 0。
    • 當上限 x=2x = 2 時: 2tan⁡u=2  ⟹  tan⁡u=1  ⟹  u=π42\tan u = 2 \implies \tan u = 1 \implies u = \frac{\pi}{4}。
  4. 第三步:代入並化簡被積式: ∫0π/42sec⁡2u16sec⁡4u du=∫0π/418sec⁡2u du=18∫0π/4cos⁡2u du\int_{0}^{\pi/4} \frac{2\sec^2 u}{16\sec^4 u} \,\mathrm{d}u = \int_{0}^{\pi/4} \frac{1}{8\sec^2 u} \,\mathrm{d}u = \frac{1}{8} \int_{0}^{\pi/4} \cos^2 u \,\mathrm{d}u
  5. 第四步:利用倍角公式降次求值:
    • cos⁡2u=1+cos⁡2u2\cos^2 u = \frac{1+\cos 2u}{2}。
    • 進行單變數定積分計算。

答題過程

展開

我們根據題目提示使用三角代換法,令:

x=2tan⁡u  ⟹  dx=2sec⁡2u dux = 2\tan u \implies \mathrm{d}x = 2\sec^2 u \,\mathrm{d}u

將積分界限從 xx 轉換為 uu:

  • 當 x=0x = 0 時, 2tan⁡u=0  ⟹  u=02\tan u = 0 \implies u = 0。
  • 當 x=2x = 2 時, 2tan⁡u=2  ⟹  tan⁡u=1  ⟹  u=π42\tan u = 2 \implies \tan u = 1 \implies u = \frac{\pi}{4}。

將 xx 的表達式與微分微元代入原積分式:

∫02dx(x2+4)2= ∫0π42sec⁡2u(4tan⁡2u+4)2 du= ∫0π42sec⁡2u[4(tan⁡2u+1)]2 du= ∫0π42sec⁡2u(4sec⁡2u)2 du(利用 tan⁡2u+1=sec⁡2u)= ∫0π42sec⁡2u16sec⁡4u du= 18∫0π41sec⁡2u du= 18∫0π4cos⁡2u du\begin{align*} \int_{0}^{2} \frac{\mathrm{d}x}{(x^2 + 4)^2} =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{2\sec^2 u}{\left( 4\tan^2 u + 4 \right)^2} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{2\sec^2 u}{\left[ 4(\tan^2 u + 1) \right]^2} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{2\sec^2 u}{\left( 4\sec^2 u \right)^2} \,\mathrm{d}u \quad \Big( \text{利用 } \tan^2 u + 1 = \sec^2 u \Big) \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{2\sec^2 u}{16\sec^4 u} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{8} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\sec^2 u} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{8} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^2 u \,\mathrm{d}u \end{align*}

利用餘弦的二倍角降次公式 cos⁡2u=1+cos⁡2u2\cos^2 u = \frac{1 + \cos 2u}{2}:

18∫0π4cos⁡2u du= 18∫0π4(1+cos⁡2u2)du= 116∫0π4(1+cos⁡2u) du= 116[u+12sin⁡2u]0π4= 116((π4+12sin⁡(2⋅π4))−(0+12sin⁡(0)))= 116(π4+12sin⁡(π2))= 116(π4+12(1))= π64+132=π+264\begin{align*} \frac{1}{8} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^2 u \,\mathrm{d}u =&\, \frac{1}{8} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \left( \frac{1 + \cos 2u}{2} \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{16} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} (1 + \cos 2u) \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{16} \left[ u + \frac{1}{2}\sin 2u \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} \\[4mm] =&\, \frac{1}{16} \left( \left( \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}\sin\left(2 \cdot \frac{\pi}{4}\right) \right) - \left( 0 + \frac{1}{2}\sin(0) \right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{16} \left( \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}\sin\left(\frac{\pi}{2}\right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{16} \left( \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}(1) \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{64} + \frac{1}{32} = \frac{\pi + 2}{64} \end{align*}

結論: 積分值為 π+264\displaystyle \frac{\pi + 2}{64}。