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111 學年度台綜大微積分 B 第 3 題

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111學年度 · 111台綜大微積分B · 第 3 題

題目

Problem

3. Compute the integral 0piexsin(πx)dx\int_0^pi e^{-x} \sin(\pi-x)\,\mathrm{d}x. (10%)

解答

思路

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  1. 利用三角誘導公式化簡: sin(πx)=sinx\sin(\pi-x) = \sin x
  2. 原式簡化為 0πexsinxdx\int_0^\pi e^{-x}\sin x\,\mathrm{d}x
  3. 此為典型的指數與三角函數相乘的積分,可使用兩次分部積分法(Integration by Parts),或直接使用常用積分公式: eaxsinbxdx=eax(asinbxbcosbx)a2+b2+C\int e^{ax}\sin bx\,\mathrm{d}x = \frac{e^{ax}(a\sin bx - b\cos bx)}{a^2 + b^2} + C 在此 a=1a = -1b=1b = 1

答題過程

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利用誘導公式:

sin(πx)=sinx\sin(\pi - x) = \sin x

故原積分為:

I=0πexsinxdxI = \int_0^\pi e^{-x} \sin x\,\mathrm{d}x

使用分部積分公式 udv=uvvdu\int u\,\mathrm{d}v = uv - \int v\,\mathrm{d}u,令 u=sinxu = \sin xv=ex    v=exv' = e^{-x} \implies v = -e^{-x}

I=[sinxex]0π0π(ex)cosxdxI = \Big[ -\sin x e^{-x} \Big]_0^\pi - \int_0^\pi (-e^{-x}) \cos x\,\mathrm{d}x =0+0πexcosxdx= 0 + \int_0^\pi e^{-x} \cos x\,\mathrm{d}x

對第二項再次使用分部積分,令 u=cosxu = \cos xv=ex    v=exv' = e^{-x} \implies v = -e^{-x}

I=[cosxex]0π0π(ex)(sinx)dxI = \Big[ -\cos x e^{-x} \Big]_0^\pi - \int_0^\pi (-e^{-x})(-\sin x)\,\mathrm{d}x =(cosπeπ(cos0e0))0πexsinxdx= \left( -\cos\pi e^{-\pi} - (-\cos 0 e^0) \right) - \int_0^\pi e^{-x} \sin x\,\mathrm{d}x =(eπ+1)I= (e^{-\pi} + 1) - I

移項整理:

2I=eπ+1    I=eπ+122I = e^{-\pi} + 1 \implies I = \frac{e^{-\pi} + 1}{2}

結論: 積分值為 eπ+12\displaystyle \frac{e^{-\pi} + 1}{2}