題目
Problem
4. Evaluate the definite integral
∫23x2−5x+4xdx.(10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算有理函數定積分 ∫23x2−5x+4xdx。
- 被積函數分母可因式分解: x2−5x+4=(x−1)(x−4)。
- 我們可以使用部分分式展開法 (Partial Fraction Decomposition):
(x−1)(x−4)x=x−1A+x−4B
- 利用留數法(Heaviside Cover-up Method)求 A 與 B:
- A=x−4xx=1=−31。
- B=x−1xx=4=34。
- 第一步:將被積函數展開:
x2−5x+4x=−3(x−1)1+3(x−4)4
- 第二步:寫出原函數並計算定積分:
- 原函數為 −31ln∣x−1∣+34ln∣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:
x2−5x+4=(x−1)(x−4)
接著,我們使用部分分式法(Partial Fractions)將分式拆解:
(x−1)(x−4)x=x−1A+x−4B
同乘分母 (x−1)(x−4):
x=A(x−4)+B(x−1)
我們可以使用特殊值帶入法求常數 A,B:
- 令 x=1⟹1=A(1−4)⟹1=−3A⟹A=−31。
- 令 x=4⟹4=B(4−1)⟹4=3B⟹B=34。
因此,被積分式可表示為:
x2−5x+4x=−3(x−1)1+3(x−4)4
現在我們對其進行定積分計算:
∫23x2−5x+4xdx==∫23(−3(x−1)1+3(x−4)4)dx[−31ln∣x−1∣+34ln∣x−4∣]23
代入上限 x=3 與下限 x=2:
I==(−31ln∣3−1∣+34ln∣3−4∣)−(−31ln∣2−1∣+34ln∣2−4∣)(−31ln2+34ln1)−(−31ln1+34ln2)
由於 ln1=0:
I=(−31ln2+0)−(0+34ln2)=−31ln2−34ln2=−35ln2
結論:
定積分值為 −35ln2。