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113 台大微積分(B) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分(B)

113學年度 · 113微積分(B) · 第 6 題

題目

Problem

3. Compute the integrals.

14x2+4xdx=(6).\int \frac{1}{\sqrt{4x^2 + 4x}} \,\mathrm{d}x = \underline{\quad(6)\quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算不定積分 14x2+4xdx\int \frac{1}{\sqrt{4x^2 + 4x}} \,\mathrm{d}x
  2. 第一步:配方法化簡根式: 我們將根號內的二次多項式配方: 4x2+4x=(2x+1)214x^2 + 4x = (2x + 1)^2 - 1
  3. 第二步:三角代換法或反雙曲函數公式
    • 2x+1=secθ    2dx=secθtanθdθ    dx=12secθtanθdθ2x + 1 = \sec\theta \implies 2\,\mathrm{d}x = \sec\theta \tan\theta \,\mathrm{d}\theta \implies \mathrm{d}x = \frac{1}{2}\sec\theta \tan\theta \,\mathrm{d}\theta
    • 根式項: (2x+1)21=sec2θ1=tanθ\sqrt{(2x+1)^2-1} = \sqrt{\sec^2\theta-1} = \tan\theta(假設 tanθ0\tan\theta \ge 0)。
    • 代入積分式: 12secθtanθtanθdθ=12secθdx=12lnsecθ+tanθ+C\int \frac{\frac{1}{2}\sec\theta\tan\theta}{\tan\theta} \,\mathrm{d}\theta = \frac{1}{2} \int \sec\theta \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} \ln|\sec\theta + \tan\theta| + C
  4. 第三步:將 θ\theta 換回 xx
    • secθ=2x+1\sec\theta = 2x + 1
    • tanθ=sec2θ1=4x2+4x\tan\theta = \sqrt{\sec^2\theta-1} = \sqrt{4x^2+4x}
    • 代入對數公式中即可。

答題過程

展開

我們首先對被積函數分母的二次項進行配方:

4x2+4x=(2x)2+2(2x)(1)+11=(2x+1)214x^2 + 4x = (2x)^2 + 2(2x)(1) + 1 - 1 = (2x + 1)^2 - 1

因此原積分變為:

I=1(2x+1)21dxI = \int \frac{1}{\sqrt{(2x+1)^2 - 1}} \,\mathrm{d}x

使用三角代換法,令:

2x+1=secθ    2dx=secθtanθdθ    dx=12secθtanθdθ2x + 1 = \sec\theta \implies 2\,\mathrm{d}x = \sec\theta\tan\theta\,\mathrm{d}\theta \implies \mathrm{d}x = \frac{1}{2}\sec\theta\tan\theta\,\mathrm{d}\theta

同時,分母根式化簡為:

(2x+1)21=sec2θ1=tan2θ=tanθ(假設 tanθ0)\sqrt{(2x+1)^2 - 1} = \sqrt{\sec^2\theta - 1} = \sqrt{\tan^2\theta} = \tan\theta \quad (\text{假設 } \tan\theta \ge 0)

代入積分式:

I=1tanθ(12secθtanθdθ)=12secθdtheta=12lnsecθ+tanθ+C\begin{align*} I =&\, \int \frac{1}{\tan\theta} \cdot \left( \frac{1}{2}\sec\theta\tan\theta\,\mathrm{d}\theta \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int \sec\theta \,\mathrm{d}theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \ln|\sec\theta + \tan\theta| + C \end{align*}

現在將變數 θ\theta 換回原變數 xx

  • 已知 secθ=2x+1\sec\theta = 2x + 1
  • tanθ=4x2+4x\tan\theta = \sqrt{4x^2 + 4x}

將其代回對數解中:

I=12ln2x+1+4x2+4x+CI = \frac{1}{2} \ln \left| 2x + 1 + \sqrt{4x^2 + 4x} \right| + C

結論: (6) 填入 12ln2x+1+4x2+4x+C\displaystyle \frac{1}{2} \ln \left| 2x + 1 + \sqrt{4x^2 + 4x} \right| + C