題目
Problem
3. 續題:
∫01(x2+1)2x2dx=(7).
解答
解法一:利用分部積分法(常規解法)
思路
展開
- 本題要求計算定積分 ∫01(x2+1)2x2dx。
- 被積函數的分母含有 (x2+1)2。這提示我們可以使用分部積分法 (Integration by Parts):
- 拆分函數:將 x2 拆出一個 x,即:
∫x⋅(x2+1)2xdx
- 令 u=x⟹du=dx。
- 令 dv=(x2+1)2xdx⟹v=−2(x2+1)1(因為 dxd(x2+1)−1=−2x(x2+1)−2)。
- 第一步:套用分部積分公式:
∫(x2+1)2x2dx=−2(x2+1)x−∫(−2(x2+1)1)dx
=−2(x2+1)x+21∫x2+11dx=−2(x2+1)x+21tan−1x+C
- 第二步:代入定積分邊界 [0,1] 求解。
答題過程
展開
我們首先處理不定積分。我們使用分部積分法,令:
u=x⟹du=dx
dv=(x2+1)2xdx⟹v=−2(x2+1)1
根據分部積分公式 ∫udv=uv−∫vdu:
∫(x2+1)2x2dx===x(−2(x2+1)1)−∫(−2(x2+1)1)dx−2(x2+1)x+21∫x2+11dx−2(x2+1)x+21tan−1x+C
現在代入定積分的上限 1 與下限 0:
∫01(x2+1)2x2dx====[−2(x2+1)x+21tan−1x]01(−2(12+1)1+21tan−1(1))−(0+21tan−1(0))(−41+21(4π))−0−41+8π=8π−2
解法二:利用三角代換法(另解)
思路
展開
- 令 x=tanθ⟹dx=sec2θdθ。
- 更改上限:當 x=0⟹θ=0;當 x=1⟹θ=π/4。
- 代入積分式:
∫0π/4(tan2θ+1)2tan2θsec2θdθ=∫0π/4sec4θtan2θsec2θdθ=∫0π/4sec2θtan2θdθ
=∫0π/4sin2θdθ=∫0π/421−cos2θdθ
- 計算此定積分即可。
答題過程
展開
我們令:
x=tanθ⟹dx=sec2θdθ
更換積分界限:
- 當 x=0 時, θ=0。
- 當 x=1 時, θ=4π。
代入積分式:
∫01(x2+1)2x2dx========∫04π(tan2θ+1)2tan2θsec2θdθ∫04πsec4θtan2θsec2θdθ∫04πsec2θtan2θdθ∫04πsin2θdθ∫04π(21−cos2θ)dtheta21[θ−21sin2θ]04π21(4π−21sin(2π)−0)21(4π−21(1))=8π−2
結論:
(7) 填入 8π−2。