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111 學年度台綜大微積分 B 第 2 題

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111學年度 · 111台綜大微積分B · 第 2 題

題目

Problem

2. Compute the integral ∫03∣x2−3x+2∣ dx\int_0^3 |x^2 - 3x + 2|\,\mathrm{d}x. (10%)

解答

思路

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  1. 拆解絕對值:先找出被積函數在區間 [0,3][0,3] 上的正負號分界點。 x2−3x+2=(x−1)(x−2)=0  ⟹  x=1,2x^2 - 3x + 2 = (x-1)(x-2) = 0 \implies x=1, 2
  2. 分區間討論:
    • 當 x∈[0,1]x \in [0, 1] 時, x2−3x+2≥0  ⟹  ∣x2−3x+2∣=x2−3x+2x^2-3x+2 \ge 0 \implies |x^2-3x+2| = x^2-3x+2。
    • 當 x∈[1,2]x \in [1, 2] 時, x2−3x+2≤0  ⟹  ∣x2−3x+2∣=−(x2−3x+2)x^2-3x+2 \le 0 \implies |x^2-3x+2| = -(x^2-3x+2)。
    • 當 x∈[2,3]x \in [2, 3] 時, x2−3x+2≥0  ⟹  ∣x2−3x+2∣=x2−3x+2x^2-3x+2 \ge 0 \implies |x^2-3x+2| = x^2-3x+2。
  3. 利用對稱性簡化計算:由於二次函數 y=x2−3x+2y = x^2-3x+2 的對稱軸為 x=1.5x = 1.5,區間 [0,1][0,1] 與 [2,3][2,3] 對稱。 因此 ∫01(x2−3x+2) dx=∫23(x2−3x+2) dx\int_0^1 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x = \int_2^3 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x。 原積分可簡化為: 2∫01(x2−3x+2) dx−∫12(x2−3x+2) dx2 \int_0^1 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x - \int_1^2 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x

答題過程

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分區間拆開積分:

∫03∣x2−3x+2∣ dx=∫01(x2−3x+2) dx−∫12(x2−3x+2) dx+∫23(x2−3x+2) dx\int_0^3 |x^2 - 3x + 2|\,\mathrm{d}x = \int_0^1 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x - \int_1^2 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x + \int_2^3 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x

由對稱性可知:

∫01(x2−3x+2) dx=∫23(x2−3x+2) dx\int_0^1 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x = \int_2^3 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x

故原式為:

I=2∫01(x2−3x+2) dx−∫12(x2−3x+2) dxI = 2 \int_0^1 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x - \int_1^2 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x

1. 計算第一個定積分

∫01(x2−3x+2) dx=[x33−3x22+2x]01=13−32+2=2−9+126=56\int_0^1 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x = \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{3x^2}{2} + 2x \right]_0^1 = \frac{1}{3} - \frac{3}{2} + 2 = \frac{2 - 9 + 12}{6} = \frac{5}{6}

2. 計算第二個定積分

∫12(x2−3x+2) dx=[x33−3x22+2x]12\int_1^2 (x^2-3x+2)\,\mathrm{d}x = \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{3x^2}{2} + 2x \right]_1^2 =(83−6+4)−56=23−56=4−56=−16= \left( \frac{8}{3} - 6 + 4 \right) - \frac{5}{6} = \frac{2}{3} - \frac{5}{6} = \frac{4 - 5}{6} = -\frac{1}{6}

3. 合併結果

I=2(56)−(−16)=106+16=116I = 2 \left(\frac{5}{6}\right) - \left(-\frac{1}{6}\right) = \frac{10}{6} + \frac{1}{6} = \frac{11}{6}

結論: 積分值為 116\displaystyle \frac{11}{6}。