Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

113 台綜大微積分(B) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

113學年度 · 113微積分B · 第 4 題

題目

Problem

4. Evaluate the definite integral

23xx25x+4dx.(10%)\int_2^3 \frac{x}{x^2 - 5x + 4} \,\mathrm{d}x \,. \quad (10\%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算有理函數定積分 23xx25x+4dx\int_2^3 \frac{x}{x^2-5x+4} \,\mathrm{d}x
  2. 被積函數分母可因式分解: x25x+4=(x1)(x4)x^2-5x+4 = (x-1)(x-4)
  3. 我們可以使用部分分式展開法 (Partial Fraction Decomposition)x(x1)(x4)=Ax1+Bx4\frac{x}{(x-1)(x-4)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x-4}
    • 利用留數法(Heaviside Cover-up Method)求 AABB
      • A=xx4x=1=13A = \left. \frac{x}{x-4} \right|_{x=1} = -\frac{1}{3}
      • B=xx1x=4=43B = \left. \frac{x}{x-1} \right|_{x=4} = \frac{4}{3}
  4. 第一步:將被積函數展開xx25x+4=13(x1)+43(x4)\frac{x}{x^2-5x+4} = -\frac{1}{3(x-1)} + \frac{4}{3(x-4)}
  5. 第二步:寫出原函數並計算定積分
    • 原函數為 13lnx1+43lnx4-\frac{1}{3}\ln|x-1| + \frac{4}{3}\ln|x-4|
    • 代入上限 3 與下限 2。

答題過程

展開

我們先將被積函數的分母因式分解:

x25x+4=(x1)(x4)x^2 - 5x + 4 = (x - 1)(x - 4)

接著,我們使用部分分式法(Partial Fractions)將分式拆解:

x(x1)(x4)=Ax1+Bx4\frac{x}{(x - 1)(x - 4)} = \frac{A}{x - 1} + \frac{B}{x - 4}

同乘分母 (x1)(x4)(x-1)(x-4)

x=A(x4)+B(x1)x = A(x - 4) + B(x - 1)

我們可以使用特殊值帶入法求常數 A,BA, B

  • x=1    1=A(14)    1=3A    A=13x = 1 \implies 1 = A(1 - 4) \implies 1 = -3A \implies A = -\frac{1}{3}
  • x=4    4=B(41)    4=3B    B=43x = 4 \implies 4 = B(4 - 1) \implies 4 = 3B \implies B = \frac{4}{3}

因此,被積分式可表示為:

xx25x+4=13(x1)+43(x4)\frac{x}{x^2 - 5x + 4} = -\frac{1}{3(x - 1)} + \frac{4}{3(x - 4)}

現在我們對其進行定積分計算:

23xx25x+4dx=23(13(x1)+43(x4))dx=[13lnx1+43lnx4]23\begin{align*} \int_2^3 \frac{x}{x^2 - 5x + 4} \,\mathrm{d}x =&\, \int_2^3 \left( -\frac{1}{3(x - 1)} + \frac{4}{3(x - 4)} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \left[ -\frac{1}{3} \ln|x - 1| + \frac{4}{3} \ln|x - 4| \right]_2^3 \end{align*}

代入上限 x=3x = 3 與下限 x=2x = 2

I=(13ln31+43ln34)(13ln21+43ln24)=(13ln2+43ln1)(13ln1+43ln2)\begin{align*} I =&\, \left( -\frac{1}{3} \ln|3 - 1| + \frac{4}{3} \ln|3 - 4| \right) - \left( -\frac{1}{3} \ln|2 - 1| + \frac{4}{3} \ln|2 - 4| \right) \\[4mm] =&\, \left( -\frac{1}{3} \ln 2 + \frac{4}{3} \ln 1 \right) - \left( -\frac{1}{3} \ln 1 + \frac{4}{3} \ln 2 \right) \end{align*}

由於 ln1=0\ln 1 = 0

I=(13ln2+0)(0+43ln2)=13ln243ln2=53ln2I = \left( -\frac{1}{3} \ln 2 + 0 \right) - \left( 0 + \frac{4}{3} \ln 2 \right) = -\frac{1}{3} \ln 2 - \frac{4}{3} \ln 2 = -\frac{5}{3} \ln 2

結論: 定積分值為 53ln2-\displaystyle \frac{5}{3}\ln 2