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113 台綜大微積分(A) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 5 題

題目

Problem

5. Evaluate the improper integral

01xlnxdx.(10%)\int_0^1 x \ln x \,\mathrm{d}x \,. \quad (10\%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定廣義(反常)積分 01xlnxdx\int_0^1 x \ln x \,\mathrm{d}x。因為當 x0+x \to 0^+lnx\ln x \to -\infty,所以 x=0x=0 為瑕點。
  2. 我們需要計算極限: I=limt0+t1xlnxdxI = \lim_{t \to 0^+} \int_t^1 x \ln x \,\mathrm{d}x
  3. 第一步:使用分部積分法計算不定積分
    • u=lnx    du=1xdxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x
    • dv=xdx    v=12x2\mathrm{d}v = x\,\mathrm{d}x \implies v = \frac{1}{2}x^2
    • 不定積分為: xlnxdx=12x2lnx12x21xdx=12x2lnx14x2+C\int x \ln x \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}x^2 \ln x - \int \frac{1}{2}x^2 \cdot \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}x^2 \ln x - \frac{1}{4}x^2 + C
  4. 第二步:帶入定積分界限並求極限
    • 上限 x=1x = 1:值為 12(1)2ln114(1)2=14\frac{1}{2}(1)^2\ln 1 - \frac{1}{4}(1)^2 = -\frac{1}{4}
    • 下限 x0+x \to 0^+ 的極限:需要利用羅必達法則求解 limt0+t2lnt=0\lim_{t\to 0^+} t^2 \ln t = 0

答題過程

展開

由於被積函數在 x=0x = 0 處無定義(limx0+lnx=\lim_{x\to 0^+} \ln x = -\infty),此為瑕積分。我們將其寫成極限形式:

01xlnxdx=limt0+t1xlnxdx\int_0^1 x \ln x \,\mathrm{d}x = \lim_{t \to 0^+} \int_t^1 x \ln x \,\mathrm{d}x

我們先計算不定積分 xlnxdx\int x \ln x \,\mathrm{d}x。 採用分部積分法,令:

u=lnx    du=1xdxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x dv=xdx    v=12x2\mathrm{d}v = x \,\mathrm{d}x \implies v = \frac{1}{2} x^2

則:

xlnxdx=12x2lnx(12x2)(1xdx)=12x2lnx14x2+C\int x \ln x \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} x^2 \ln x - \int \left( \frac{1}{2} x^2 \right) \left( \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x \right) = \frac{1}{2} x^2 \ln x - \frac{1}{4} x^2 + C

將此原函數代回定積分式:

t1xlnxdx=[12x2lnx14x2]t1=(12(1)2ln(1)14(1)2)(12t2lnt14t2)=1412t2lnt+14t2\begin{align*} \int_t^1 x \ln x \,\mathrm{d}x =&\, \left[ \frac{1}{2} x^2 \ln x - \frac{1}{4} x^2 \right]_t^1 \\[4mm] =&\, \left( \frac{1}{2} (1)^2 \ln(1) - \frac{1}{4} (1)^2 \right) - \left( \frac{1}{2} t^2 \ln t - \frac{1}{4} t^2 \right) \\[4mm] =&\, -\frac{1}{4} - \frac{1}{2} t^2 \ln t + \frac{1}{4} t^2 \end{align*}

接下來,我們求解當 t0+t \to 0^+ 時的極限。首先計算關鍵項 limt0+t2lnt\lim_{t \to 0^+} t^2 \ln t: 此為 0()0 \cdot (-\infty) 型未定式,我們將其改寫為 \frac{-\infty}{\infty} 型並使用羅必達法則:

limt0+t2lnt=limt0+lntt2=L.H.limt0+1t2t3=limt0+(t22)=0\lim_{t \to 0^+} t^2 \ln t = \lim_{t \to 0^+} \frac{\ln t}{t^{-2}} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{t \to 0^+} \frac{\frac{1}{t}}{-2t^{-3}} = \lim_{t \to 0^+} \left( -\frac{t^2}{2} \right) = 0

另外,顯然有 limt0+14t2=0\lim_{t \to 0^+} \frac{1}{4} t^2 = 0

因此,瑕積分的值為:

01xlnxdx=limt0+(1412t2lnt+14t2)=140+0=14\int_0^1 x \ln x \,\mathrm{d}x = \lim_{t \to 0^+} \left( -\frac{1}{4} - \frac{1}{2} t^2 \ln t + \frac{1}{4} t^2 \right) = -\frac{1}{4} - 0 + 0 = -\frac{1}{4}

結論: 反常積分值為 14-\displaystyle \frac{1}{4}