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114 政大微積分 Part B 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 6 題

題目

Problem

Evaluate the integral

∫0π/6∫sin⁡x1/2xy2 dydx=見解答‾.(10%)\int_{0}^{\pi/6} \int_{\sin x}^{1/2} x y^2 \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x = \underline{\quad\text{見解答}\quad}. \quad (10\%)

(6) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個累次二重積分,其積分範圍為 0≤x≤π/60 \le x \le \pi/6,sin⁡x≤y≤1/2\sin x \le y \le 1/2。
  2. 第一步:先積內層關於 yy 的積分 被積分函數是 xy2x y^2,其中 xx 視為常數。 ∫sin⁡x1/2xy2 dy=x[13y3]sin⁡x1/2=13x(18−sin⁡3x)=124x−13xsin⁡3x\int_{\sin x}^{1/2} x y^2 \,\mathrm{d}y = x \left[ \frac{1}{3}y^3 \right]_{\sin x}^{1/2} = \frac{1}{3}x \left( \frac{1}{8} - \sin^3 x \right) = \frac{1}{24}x - \frac{1}{3}x\sin^3 x
  3. 第二步:代回外層積關於 xx 的積分 這時我們要計算: ∫0π/6(124x−13xsin⁡3x)dx\int_{0}^{\pi/6} \left( \frac{1}{24}x - \frac{1}{3}x\sin^3 x \right) \mathrm{d}x 這可以分成兩個一重積分:
    • 積分一:∫0π/6124x dx\int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{24}x \,\mathrm{d}x。這是一個簡單的冪函數定積分。
    • 積分二:∫0π/613xsin⁡3x dx\int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{3}x\sin^3 x \,\mathrm{d}x。這涉及 xx 乘上 sin⁡3x\sin^3 x,需要先利用三角三倍角公式 sin⁡3x=3sin⁡x−4sin⁡3x\sin 3x = 3\sin x - 4\sin^3 x 將 sin⁡3x\sin^3 x 降次,拆成單純的 sin⁡x\sin x 與 sin⁡3x\sin 3x 的線性組合,再利用分部積分法 (Integration by Parts) 分別計算。
  4. 將兩個積分結果相減,即可得出最終結果。

答題過程

展開

第一步:計算內層關於 yy 的積分

我們將 xx 視為常數,對 yy 求積分:

∫sin⁡x1/2xy2 dy=x[13y3]y=sin⁡xy=1/2=13x((12)3−sin⁡3x)=124x−13xsin⁡3x\int_{\sin x}^{1/2} x y^2 \,\mathrm{d}y = x \left[ \frac{1}{3}y^3 \right]_{y=\sin x}^{y=1/2} = \frac{1}{3}x \left( \left(\frac{1}{2}\right)^3 - \sin^3 x \right) = \frac{1}{24}x - \frac{1}{3}x\sin^3 x

第二步:將結果代回外層對 xx 進行積分

原二重積分化為:

I=∫0π/6(124x−13xsin⁡3x)dx=∫0π/6124x dx−∫0π/613xsin⁡3x dxI = \int_{0}^{\pi/6} \left( \frac{1}{24}x - \frac{1}{3}x\sin^3 x \right) \mathrm{d}x = \int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{24}x \,\mathrm{d}x - \int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{3}x\sin^3 x \,\mathrm{d}x

我們先計算第一個簡單的積分項:

I1=∫0π/6124x dx=[148x2]0π/6=148(π236)−0=π21728I_1 = \int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{24}x \,\mathrm{d}x = \left[ \frac{1}{48}x^2 \right]_{0}^{\pi/6} = \frac{1}{48} \left( \frac{\pi^2}{36} \right) - 0 = \frac{\pi^2}{1728}

接著,計算第二個積分項:

I2=∫0π/613xsin⁡3x dxI_2 = \int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{3}x\sin^3 x \,\mathrm{d}x

第三步:利用三角恆等式降次

利用正弦三倍角公式:

sin⁡3x=3sin⁡x−4sin⁡3x  ⟹  sin⁡3x=3sin⁡x−sin⁡3x4\sin 3x = 3\sin x - 4\sin^3 x \implies \sin^3 x = \frac{3\sin x - \sin 3x}{4}

將其代回 I2I_2:

I2= ∫0π/613x(3sin⁡x−sin⁡3x4)dx= ∫0π/6(14xsin⁡x−112xsin⁡3x)dx= 14∫0π/6xsin⁡x dx−112∫0π/6xsin⁡3x dx\begin{align*} I_2 =&\, \int_{0}^{\pi/6} \frac{1}{3}x \left( \frac{3\sin x - \sin 3x}{4} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\pi/6} \left( \frac{1}{4}x\sin x - \frac{1}{12}x\sin 3x \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \frac{1}{4}\int_{0}^{\pi/6} x\sin x \,\mathrm{d}x - \frac{1}{12}\int_{0}^{\pi/6} x\sin 3x \,\mathrm{d}x \end{align*}

接下來我們利用分部積分法分別求這兩個定積分:

  1. 計算 ∫xsin⁡x dx\displaystyle \int x\sin x \,\mathrm{d}x: 令 u=x  ⟹  du=dxu = x \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}x;dv=sin⁡x dx  ⟹  v=−cos⁡x\mathrm{d}v = \sin x \,\mathrm{d}x \implies v = -\cos x。

    ∫xsin⁡x dx=−xcos⁡x+∫cos⁡x dx=−xcos⁡x+sin⁡x\int x\sin x \,\mathrm{d}x = -x\cos x + \int \cos x \,\mathrm{d}x = -x\cos x + \sin x

    代入積分上下限:

    ∫0π/6xsin⁡x dx= [−xcos⁡x+sin⁡x]0π/6= (−π6cos⁡π6+sin⁡π6)−(0)= −π6(32)+12=−3π12+12\begin{align*} \int_{0}^{\pi/6} x\sin x \,\mathrm{d}x =&\, \Big[ -x\cos x + \sin x \Big]_{0}^{\pi/6} \\[4mm] =&\, \left( -\frac{\pi}{6}\cos\frac{\pi}{6} + \sin\frac{\pi}{6} \right) - (0) \\[4mm] =&\, -\frac{\pi}{6} \left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) + \frac{1}{2} = -\frac{\sqrt{3}\pi}{12} + \frac{1}{2} \end{align*}
  2. 計算 ∫xsin⁡3x dx\displaystyle \int x\sin 3x \,\mathrm{d}x: 令 u=x  ⟹  du=dxu = x \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}x;dv=sin⁡3x dx  ⟹  v=−13cos⁡3x\mathrm{d}v = \sin 3x \,\mathrm{d}x \implies v = -\frac{1}{3}\cos 3x。

    ∫xsin⁡3x dx=−13xcos⁡3x+13∫cos⁡3x dx=−13xcos⁡3x+19sin⁡3x\int x\sin 3x \,\mathrm{d}x = -\frac{1}{3}x\cos 3x + \frac{1}{3}\int \cos 3x \,\mathrm{d}x = -\frac{1}{3}x\cos 3x + \frac{1}{9}\sin 3x

    代入積分上下限:

    ∫0π/6xsin⁡3x dx= [−13xcos⁡3x+19sin⁡3x]0π/6= (−13(π6)cos⁡π2+19sin⁡π2)−(0)= 0+19=19(因為 cos⁡π2=0,sin⁡π2=1)\begin{align*} \int_{0}^{\pi/6} x\sin 3x \,\mathrm{d}x =&\, \Big[ -\frac{1}{3}x\cos 3x + \frac{1}{9}\sin 3x \Big]_{0}^{\pi/6} \\[4mm] =&\, \left( -\frac{1}{3}\left(\frac{\pi}{6}\right)\cos\frac{\pi}{2} + \frac{1}{9}\sin\frac{\pi}{2} \right) - (0) \\[4mm] =&\, 0 + \frac{1}{9} = \frac{1}{9} \quad \left(\text{因為 } \cos\frac{\pi}{2} = 0, \sin\frac{\pi}{2} = 1\right) \end{align*}

將這兩個定積分結果代回 I2I_2 的式子中:

I2= 14(−3π12+12)−112(19)= −3π48+18−1108= −3π48+27−2216= −3π48+25216\begin{align*} I_2 =&\, \frac{1}{4} \left( -\frac{\sqrt{3}\pi}{12} + \frac{1}{2} \right) - \frac{1}{12} \left( \frac{1}{9} \right) \\[4mm] =&\, -\frac{\sqrt{3}\pi}{48} + \frac{1}{8} - \frac{1}{108} \\[4mm] =&\, -\frac{\sqrt{3}\pi}{48} + \frac{27 - 2}{216} \\[4mm] =&\, -\frac{\sqrt{3}\pi}{48} + \frac{25}{216} \end{align*}

第四步:計算最終總和

將 I1I_1 與 I2I_2 相減:

I= I1−I2= π21728−(−3π48+25216)= π21728+3π48−25216= π2+363π−2001728\begin{align*} I =&\, I_1 - I_2 \\[4mm] =&\, \frac{\pi^2}{1728} - \left( -\frac{\sqrt{3}\pi}{48} + \frac{25}{216} \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi^2}{1728} + \frac{\sqrt{3}\pi}{48} - \frac{25}{216} \\[4mm] =&\, \frac{\pi^2 + 36\sqrt{3}\pi - 200}{1728} \end{align*}

(通分:48×36=172848 \times 36 = 1728,216×8=1728216 \times 8 = 1728,故分子分別乘上 3636 與 88,即 25×8=20025 \times 8 = 200)。

因此,第 (6) 格答案為 \frac{\pi^2 + 36\sqrt{3}\pi - 200}{1728}。