題目
Problem
5. Evaluate ∫036x−x2dx. (10%)
解答
解法一:圓幾何面積法(最速法)
思路
展開
- 本題求 ∫036x−x2dx。
- 我們可以從幾何圖形角度來理解這個定積分:
令 y=6x−x2⟹y2=6x−x2⟹x2−6x+y2=0⟹(x−3)2+y2=9 (其中 y≥0)。
這是一個圓心在 (3,0)、半徑為 r=3 的上半圓。
- 積分範圍是 x∈[0,3]。此範圍正好是該半圓在對稱軸 x=3 左側的部分,即整個圓面積的 41。
- 圓的總面積為 πr2=9π。
因此,定積分值恰為 49π。
答題過程
展開
我們令被積函數為:
y=6x−x2
由於根式值非負,故 y≥0。我們對兩側進行平方並整理:
y2=6x−x2⟹x2−6x+y2=0
配方後得到:
(x−3)2+y2=9
這代表一個圓心在 (3,0)、半徑為 r=3 的圓。因為限制 y≥0,這是一條半圓曲線。
定積分 ∫036x−x2dx 的幾何意義,為該半圓在區間 x∈[0,3] 內與 x 軸圍成的平面區域面積。
因為區間 [0,3] 恰為此圓的對稱軸 x=3 的左半部分,此區域恰為整個圓形面積的 41。
利用圓面積公式:
∫036x−x2dx=41(π⋅r2)=41(π⋅32)=49π
解法二:三角代換法(傳統做法)
思路
展開
- 配方: ∫039−(x−3)2dx。
- 使用三角換元:令 x−3=3sinu⟹dx=3cosudu。
- 更換上下限:
- 當 x=0⟹3sinu=−3⟹sinu=−1⟹u=−2π。
- 當 x=3⟹3sinu=0⟹sinu=0⟹u=0。
- 代回計算定積分。
答題過程
展開
我們首先對根式內進行配方:
∫036x−x2dx=∫039−(x−3)2dx
採用三角代換,令:
x−3=3sinu⟹dx=3cosudu
更換積分界限:
- 當 x=0 時, 3sinu=−3⟹sinu=−1⟹u=−2π。
- 當 x=3 時, 3sinu=0⟹sinu=0⟹u=0。
代入積分式,並利用 9−9sin2u=3cosu(在 u∈[−π/2,0] 內餘弦值為正):
∫039−(x−3)2dx==∫−2π0(3cosu)⋅(3cosudu)9∫−2π0cos2udu
利用半角公式 cos2u=21+cos2u:
9∫−2π0cos2udu===29∫−2π0(1+cos2u)du29[u+21sin2u]−2π029(0−(−2π+0))=49π
結論:
積分值為 49π。