題目
Problem
Question 1: [5pts] Evaluate
∫02(x2+4)2dx
by making the substitution x=2tanu.
解答
解法一
思路
展開
- 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=2tanu。
- 第一步:微分與代換:
- x=2tanu⟹dx=2sec2udu。
- 分母項: x2+4=4tan2u+4=4(tan2u+1)=4sec2u。
- 因此, (x2+4)2=(4sec2u)2=16sec4u。
- 第二步:更換積分上下限:
- 當下限 x=0 時: 2tanu=0⟹tanu=0⟹u=0。
- 當上限 x=2 時: 2tanu=2⟹tanu=1⟹u=4π。
- 第三步:代入並化簡被積式:
∫0π/416sec4u2sec2udu=∫0π/48sec2u1du=81∫0π/4cos2udu
- 第四步:利用倍角公式降次求值:
- cos2u=21+cos2u。
- 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=2tanu⟹dx=2sec2udu
將積分界限從 x 轉換為 u:
- 當 x=0 時, 2tanu=0⟹u=0。
- 當 x=2 時, 2tanu=2⟹tanu=1⟹u=4π。
將 x 的表達式與微分微元代入原積分式:
∫02(x2+4)2dx======∫04π(4tan2u+4)22sec2udu∫04π[4(tan2u+1)]22sec2udu∫04π(4sec2u)22sec2udu(利用 tan2u+1=sec2u)∫04π16sec4u2sec2udu81∫04πsec2u1du81∫04πcos2udu
利用餘弦的二倍角降次公式 cos2u=21+cos2u:
81∫04πcos2udu=======81∫04π(21+cos2u)du161∫04π(1+cos2u)du161[u+21sin2u]04π161((4π+21sin(2⋅4π))−(0+21sin(0)))161(4π+21sin(2π))161(4π+21(1))64π+321=64π+2
結論:
積分值為 64π+2。