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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

∫23xx2−5x+4 dx .(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 ∫23xx2−5x+4 dx\int_2^3 \frac{x}{x^2-5x+4} \,\mathrm{d}x。
  2. 被積函數分母可因式分解: x2−5x+4=(x−1)(x−4)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(x−1)(x−4)=Ax−1+Bx−4\frac{x}{(x-1)(x-4)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x-4}
    • 利用留數法(Heaviside Cover-up Method)求 AA 與 BB:
      • A=xx−4∣x=1=−13A = \left. \frac{x}{x-4} \right|_{x=1} = -\frac{1}{3}。
      • B=xx−1∣x=4=43B = \left. \frac{x}{x-1} \right|_{x=4} = \frac{4}{3}。
  4. 第一步:將被積函數展開: xx2−5x+4=−13(x−1)+43(x−4)\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 −13ln⁡∣x−1∣+43ln⁡∣x−4∣-\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:

x2−5x+4=(x−1)(x−4)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(x−1)(x−4)=Ax−1+Bx−4\frac{x}{(x - 1)(x - 4)} = \frac{A}{x - 1} + \frac{B}{x - 4}

同乘分母 (x−1)(x−4)(x-1)(x-4):

x=A(x−4)+B(x−1)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:

  • 令 x=1  ⟹  1=A(1−4)  ⟹  1=−3A  ⟹  A=−13x = 1 \implies 1 = A(1 - 4) \implies 1 = -3A \implies A = -\frac{1}{3}。
  • 令 x=4  ⟹  4=B(4−1)  ⟹  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:

xx2−5x+4=−13(x−1)+43(x−4)\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:

∫23xx2−5x+4 dx= ∫23(−13(x−1)+43(x−4))dx= [−13ln⁡∣x−1∣+43ln⁡∣x−4∣]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= (−13ln⁡∣3−1∣+43ln⁡∣3−4∣)−(−13ln⁡∣2−1∣+43ln⁡∣2−4∣)= (−13ln⁡2+43ln⁡1)−(−13ln⁡1+43ln⁡2)\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 ln⁡1=0\ln 1 = 0:

I=(−13ln⁡2+0)−(0+43ln⁡2)=−13ln⁡2−43ln⁡2=−53ln⁡2I = \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 −53ln⁡2-\displaystyle \frac{5}{3}\ln 2。