題目
[problem]
2. Evaluate. (10%)
∫0π/2sin2xcosxdx.
解答
解法一(推薦:換元積分法 — 最速解)
思路
展開
- 本題要求計算定積分 ∫0π/2sin2xcosxdx。
- 觀察被積函數, cosx 正好是 sinx 的導數。這提示我們直接使用換元積分法 (Substitution Method)。
- 令 u=sinx⟹du=cosxdx。
- 變更積分上下限:
- 當 x=0⟹u=0。
- 當 x=π/2⟹u=1。
- 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
展開
我們採用換元積分法。令:
u=sinx⟹du=cosxdx
變更積分界限:
- 當 x=0 時, u=sin0=0。
- 當 x = rac{\pi}{2} 時, u = \sinrac{\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
展開
- 也可以利用三角恆等式 sin2x=1−cos2x 將積分展開:
∫0π/2sin2xcosxdx=∫0π/2cosxdx−∫0π/2cos3xdx
- 接著對第二項套用著名的 Wallis 公式 計算 cos 奇數次方在 [0,π/2] 上的積分。
答題過程
展開
利用三角恆等式展開被積函數:
∫0π/2sin2xcosxdx=∫0π/2(1−cos2x)cosxdx=∫0π/2cosxdx−∫0π/2cos3xdx
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} \,.