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112 台綜大微積分(C) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

112學年度 · 112微積分C · 第 2 題

題目

[problem] 2. Evaluate. (10%)

0π/2sin2xcosxdx.\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \,.

解答

解法一(推薦:換元積分法 — 最速解)

思路

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  1. 本題要求計算定積分 0π/2sin2xcosxdx\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x
  2. 觀察被積函數, cosx\cos x 正好是 sinx\sin x 的導數。這提示我們直接使用換元積分法 (Substitution Method)
  3. u=sinx    du=cosxdxu = \sin x \implies \mathrm{d}u = \cos x\,\mathrm{d}x
  4. 變更積分上下限:
    • x=0    u=0x = 0 \implies u = 0
    • x=π/2    u=1x = \pi/2 \implies u = 1
  5. 這可以將複雜的三角函數積分簡化成極為簡單的冪函數積分。

答題過程

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我們採用換元積分法。令:

u=sinx    du=cosxdxu = \sin x \implies \mathrm{d}u = \cos x\,\mathrm{d}x

變更積分界限:

  • x=0x = 0 時, u=sin0=0u = \sin 0 = 0
  • x = rac{\pi}{2} 時, u = \sin rac{\pi}{2} = 1

代入積分式中:

egin{align*} \int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x =&\, \int_0^1 u^2 \,\mathrm{d}u \[4mm] =&\, \left[ rac{1}{3}u^3 ight]_0^1 \[4mm] =&\, rac{1}{3}(1^3 - 0) = rac{1}{3} \,. \end{align*}

解法二(Wallis 公式法)

思路

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  1. 也可以利用三角恆等式 sin2x=1cos2x\sin^2 x = 1 - \cos^2 x 將積分展開: 0π/2sin2xcosxdx=0π/2cosxdx0π/2cos3xdx\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} \cos x \,\mathrm{d}x - \int_0^{\pi/2} \cos^3 x \,\mathrm{d}x
  2. 接著對第二項套用著名的 Wallis 公式 計算 cos\cos 奇數次方在 [0,π/2][0, \pi/2] 上的積分。

答題過程

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利用三角恆等式展開被積函數:

0π/2sin2xcosxdx=0π/2(1cos2x)cosxdx=0π/2cosxdx0π/2cos3xdx\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} (1 - \cos^2 x)\cos x \,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} \cos x \,\mathrm{d}x - \int_0^{\pi/2} \cos^3 x \,\mathrm{d}x

第一項為:

\int_0^{\pi/2} \cos x \,\mathrm{d}x = \left[ \sin x ight]_0^{\pi/2} = 1

第二項根據 Wallis 公式:

\int_0^{\pi/2} \cos^3 x \,\mathrm{d}x = rac{2}{3} \cdot 1 = rac{2}{3}

兩者相減:

I = 1 - rac{2}{3} = rac{1}{3} \,.