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113 台綜大微積分(C) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 5 題

題目

Problem

5. Evaluate 036xx2dx\int_0^3 \sqrt{6x - x^2} \,\mathrm{d}x. (10%)

解答

解法一:圓幾何面積法(最速法)

思路

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  1. 本題求 036xx2dx\int_0^3 \sqrt{6x-x^2} \,\mathrm{d}x
  2. 我們可以從幾何圖形角度來理解這個定積分: 令 y=6xx2    y2=6xx2    x26x+y2=0    (x3)2+y2=9y = \sqrt{6x-x^2} \implies y^2 = 6x-x^2 \implies x^2-6x+y^2=0 \implies (x-3)^2 + y^2 = 9 (其中 y0y \ge 0)。 這是一個圓心在 (3,0)(3,0)、半徑為 r=3r=3上半圓
  3. 積分範圍是 x[0,3]x \in [0, 3]。此範圍正好是該半圓在對稱軸 x=3x=3 左側的部分,即整個圓面積的 14\frac{1}{4}
  4. 圓的總面積為 πr2=9π\pi r^2 = 9\pi。 因此,定積分值恰為 9π4\frac{9\pi}{4}

答題過程

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我們令被積函數為:

y=6xx2y = \sqrt{6x - x^2}

由於根式值非負,故 y0y \ge 0。我們對兩側進行平方並整理:

y2=6xx2    x26x+y2=0y^2 = 6x - x^2 \implies x^2 - 6x + y^2 = 0

配方後得到:

(x3)2+y2=9(x - 3)^2 + y^2 = 9

這代表一個圓心在 (3,0)(3, 0)、半徑為 r=3r = 3 的圓。因為限制 y0y \ge 0,這是一條半圓曲線。

定積分 036xx2dx\displaystyle \int_0^3 \sqrt{6x - x^2} \,\mathrm{d}x 的幾何意義,為該半圓在區間 x[0,3]x \in [0, 3] 內與 xx 軸圍成的平面區域面積。 因為區間 [0,3][0, 3] 恰為此圓的對稱軸 x=3x = 3 的左半部分,此區域恰為整個圓形面積的 14\frac{1}{4}

利用圓面積公式:

036xx2dx=14(πr2)=14(π32)=9π4\int_0^3 \sqrt{6x - x^2} \,\mathrm{d}x = \frac{1}{4} \left( \pi \cdot r^2 \right) = \frac{1}{4} \left( \pi \cdot 3^2 \right) = \frac{9\pi}{4}

解法二:三角代換法(傳統做法)

思路

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  1. 配方: 039(x3)2dx\int_0^3 \sqrt{9-(x-3)^2} \,\mathrm{d}x
  2. 使用三角換元:令 x3=3sinu    dx=3cosudux-3 = 3\sin u \implies \mathrm{d}x = 3\cos u\,\mathrm{d}u
  3. 更換上下限:
    • x=0    3sinu=3    sinu=1    u=π2x = 0 \implies 3\sin u = -3 \implies \sin u = -1 \implies u = -\frac{\pi}{2}
    • x=3    3sinu=0    sinu=0    u=0x = 3 \implies 3\sin u = 0 \implies \sin u = 0 \implies u = 0
  4. 代回計算定積分。

答題過程

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我們首先對根式內進行配方:

036xx2dx=039(x3)2dx\int_0^3 \sqrt{6x - x^2} \,\mathrm{d}x = \int_0^3 \sqrt{9 - (x - 3)^2} \,\mathrm{d}x

採用三角代換,令:

x3=3sinu    dx=3cosudux - 3 = 3\sin u \implies \mathrm{d}x = 3\cos u\,\mathrm{d}u

更換積分界限:

  • x=0x = 0 時, 3sinu=3    sinu=1    u=π23\sin u = -3 \implies \sin u = -1 \implies u = -\frac{\pi}{2}
  • x=3x = 3 時, 3sinu=0    sinu=0    u=03\sin u = 0 \implies \sin u = 0 \implies u = 0

代入積分式,並利用 99sin2u=3cosu\sqrt{9 - 9\sin^2 u} = 3\cos u(在 u[π/2,0]u \in [-\pi/2, 0] 內餘弦值為正):

039(x3)2dx=π20(3cosu)(3cosudu)=9π20cos2udu\begin{align*} \int_0^3 \sqrt{9 - (x - 3)^2} \,\mathrm{d}x =&\, \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} (3\cos u) \cdot (3\cos u\,\mathrm{d}u) \\[4mm] =&\, 9 \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} \cos^2 u \,\mathrm{d}u \end{align*}

利用半角公式 cos2u=1+cos2u2\cos^2 u = \frac{1+\cos 2u}{2}

9π20cos2udu=92π20(1+cos2u)du=92[u+12sin2u]π20=92(0(π2+0))=9π4\begin{align*} 9 \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} \cos^2 u \,\mathrm{d}u =&\, \frac{9}{2} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{0} (1 + \cos 2u) \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{9}{2} \left[ u + \frac{1}{2}\sin 2u \right]_{-\frac{\pi}{2}}^{0} \\[4mm] =&\, \frac{9}{2} \left( 0 - \left( -\frac{\pi}{2} + 0 \right) \right) = \frac{9\pi}{4} \end{align*}

結論: 積分值為 9π4\displaystyle \frac{9\pi}{4}