題目
Problem
Let R be the region under the graph of f(x)=3−2x over the interval −1≤x≤2. Compute the area of R as the limit of a sum. (10%)
(8) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算由直線 f(x)=3−2x 與 x 軸在區間 [−1,2] 上圍成區域的面積,且明確要求**以級數求和極限(黎曼和 Riemann Sum 的極限)**來進行計算。
- 根據定積分定義,在 [a,b] 上的黎曼和極限即為定積分值:
∫abf(x)dx=limn→∞∑i=1nf(xi)Δx
這裡的 a=−1,b=2。
- 第一步:分割區間
我們將區間 [−1,2] 進行 n 等分,每個子區間的寬度為:
Δx=nb−a=n2−(−1)=n3
- 第二步:選取樣本點
我們採用右端點作為樣本點 xi:
xi=a+iΔx=−1+i(n3)=−1+n3i,i=1,2,…,n
- 第三步:建構並求和黎曼和
將 xi 代入函數 f(x)=3−2x:
f(xi)=3−2(−1+n3i)=5−n6i
建立黎曼和級數:
Sn=∑i=1nf(xi)Δx=∑i=1n(5−n6i)n3
利用求和公式 ∑i=1n1=n 與 ∑i=1ni=2n(n+1) 將級數展開化簡。
- 第四步:取 n→∞ 的極限,求出最終面積值。
答題過程
展開
我們將區間 [a,b]=[−1,2] 劃分為 n 個長度相等的子區間。
第一步:計算子區間寬度與樣本點
每個子區間的寬度為:
Δx=nb−a=n2−(−1)=n3
我們選擇每個子區間的右端點作為黎曼和的計算樣本點 xi:
xi=a+iΔx=−1+i(n3)=−1+n3i,其中 i=1,2,…,n
第二步:求出樣本點的函數值並列出黎曼和
將 xi 代入函數 f(x)=3−2x:
f(xi)=3−2(−1+n3i)=3+2−n6i=5−n6i
建構黎曼和 Sn:
Sn====i=1∑nf(xi)Δxi=1∑n(5−n6i)(n3)i=1∑n(n15−n218i)n15i=1∑n1−n218i=1∑ni
第三步:利用求和公式化簡級數
利用常用的級數求和公式:
- i=1∑n1=n
- i=1∑ni=2n(n+1)
將公式代回 Sn:
Sn===n15⋅n−n218⋅2n(n+1)15−9⋅n2n(n+1)15−9(1+n1)
第四步:取無窮大極限求得面積
所求面積 A 為黎曼和在分點數 n→∞ 時的極限值:
A====n→∞limSnn→∞lim[15−9(1+n1)]15−9(1+0)6
驗證(利用定積分直接計算):
∫−12(3−2x)dx=[3x−x2]−12=(6−4)−(−3−1)=2−(−4)=6
與黎曼和極限計算結果一致。
結論:
該區域的面積為 6。