題目
Problem
6. Evaluate \displaystyle \int_0^1 rac{1}{2x + 10\sqrt{x} + 12} \,\mathrm{d}x. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算定積分 \int_0^1 rac{1}{2x+10\sqrt{x}+12}\,\mathrm{d}x。
- 被積函數的分母含有 ,這提示我們使用根式代換:令 。
- 第一步:換元與變更上下限:
- 。
- 當 ;當 。
- 第二步:化簡被積函數: 將變數代入後,得到一個有理函數的積分: \int_0^1 rac{2u}{2u^2+10u+12}\,\mathrm{d}u = \int_0^1 rac{u}{u^2+5u+6}\,\mathrm{d}u。
- 第三步:部分分式拆分: 分母可因式分解為 。將其拆分為: rac{u}{(u+2)(u+3)} = rac{A}{u+2} + rac{B}{u+3} 求出 後求積分。
答題過程
展開
採用換元積分法。令:
變更積分界限:
- 當 時, 。
- 當 時, 。
代入原積分式:
egin{align*} I =&\, \int_0^1 rac{1}{2u^2 + 10u + 12} \cdot 2u\,\mathrm{d}u \[4mm] =&\, \int_0^1 rac{2u}{2(u^2 + 5u + 6)}\,\mathrm{d}u \[4mm] =&\, \int_0^1 rac{u}{(u + 2)(u + 3)}\,\mathrm{d}u \end{align*}我們使用部分分式法 (Partial Fractions) 拆分被積函數:
rac{u}{(u+2)(u+3)} = rac{A}{u+2} + rac{B}{u+3}同乘分母展開:
- 令 。
- 令 。
因此:
rac{u}{(u+2)(u+3)} = rac{-2}{u+2} + rac{3}{u+3}進行定積分計算:
egin{align*} I =&\, \int_0^1 \left( rac{-2}{u+2} + rac{3}{u+3} ight) \mathrm{d}u \[4mm] =&\, \left[ -2\ln|u+2| + 3\ln|u+3| ight]_0^1 \[4mm] =&\, \left( -2\ln 3 + 3\ln 4 ight) - \left( -2\ln 2 + 3\ln 3 ight) \[4mm] =&\, -2\ln 3 + 3\ln(2^2) + 2\ln 2 - 3\ln 3 \[4mm] =&\, -5\ln 3 + 6\ln 2 + 2\ln 2 \[4mm] =&\, 8\ln 2 - 5\ln 3 \,. \end{align*}