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112 台綜大微積分(B) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

112學年度 · 112微積分B · 第 6 題

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
  1. 本題要求計算定積分 \int_0^1 rac{1}{2x+10\sqrt{x}+12}\,\mathrm{d}x
  2. 被積函數的分母含有 x\sqrt{x},這提示我們使用根式代換:令 u=x    x=u2u = \sqrt{x} \implies x = u^2
  3. 第一步:換元與變更上下限
    • x=u2    dx=2udux = u^2 \implies \mathrm{d}x = 2u\,\mathrm{d}u
    • x=0    u=0x = 0 \implies u = 0;當 x=1    u=1x = 1 \implies u = 1
  4. 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
  5. 第三步:部分分式拆分: 分母可因式分解為 (u+2)(u+3)(u+2)(u+3)。將其拆分為: rac{u}{(u+2)(u+3)} = rac{A}{u+2} + rac{B}{u+3} 求出 A,BA, B 後求積分。

答題過程

展開

採用換元積分法。令:

u=x    x=u2,dx=2uduu = \sqrt{x} \implies x = u^2, \quad \mathrm{d}x = 2u\,\mathrm{d}u

變更積分界限:

  • x=0x = 0 時, u=0u = 0
  • x=1x = 1 時, u=1u = 1

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:

u=A(u+3)+B(u+2)u = A(u+3) + B(u+2)
  • u=2    2=A(1)    A=2u = -2 \implies -2 = A(1) \implies A = -2
  • u=3    3=B(1)    B=3u = -3 \implies -3 = B(-1) \implies B = 3

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*}