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113 台綜大微積分(C) 第 6 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 6 題

題目

Problem

6. Let RR be the region bounded by the curve y=x2x7y = x^2 - x^7 and the xx-axis. Find the volume of the solid obtained by rotating RR about the line x=3x = 3. (10%)

解答

解法一:剝殼法(Cylindrical Shell Method)

思路

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  1. 第一步:求平面區域 RRxx 軸的交點以確定積分區間
    • y=x2x7=x2(1x5)=0y = x^2 - x^7 = x^2(1 - x^5) = 0
    • 因為 x0x \ge 0(在圓週上),解得 x=0x = 0x=1x = 1
    • 故積分區間為 x[0,1]x \in [0, 1]
  2. 第二步:選取體積積分方法
    • 區域 RR 圍繞垂直線 x=3x = 3 旋轉。
    • 因為旋轉軸平行於 yy 軸,且函數已給出 y=f(x)y = f(x),使用剝殼法 (Cylindrical Shell Method) 是最方便的。
    • 剝殼法公式為: V=ab2π(平均半徑)(高度)dxV = \int_a^b 2\pi \cdot (\text{平均半徑}) \cdot (\text{高度}) \,\mathrm{d}x
    • 平均半徑:旋轉軸為 x=3x=3,在區間 [0,1][0,1] 內任意點 xx 到旋轉軸的距離為 3x3 - x
    • 高度:即為函數值 y=x2x7y = x^2 - x^7
  3. 第三步:寫出定積分並展開計算V=012π(3x)(x2x7)dxV = \int_0^1 2\pi (3 - x)(x^2 - x^7) \,\mathrm{d}x

答題過程

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首先,我們尋找曲線 y=x2x7y = x^2 - x^7xx 軸(y=0y = 0)的交點,以確定旋轉區域的範圍:

x2x7=0    x2(1x5)=0x^2 - x^7 = 0 \implies x^2\left( 1 - x^5 \right) = 0

解得在實數範圍內的交點為:

x=0x=1x = 0 \quad \text{與} \quad x = 1

因此,積分區間為 x[0,1]x \in [0, 1]

因為我們是將此區域繞垂直線 x=3x = 3 旋轉,使用剝殼法(Cylindrical Shell Method)最為直接。 在任意 x[0,1]x \in [0, 1] 處,薄圓柱殼的:

  • 半徑(Radius)r(x)=3xr(x) = 3 - x
  • 高度(Height)h(x)=x2x7h(x) = x^2 - x^7

根據剝殼法公式,旋轉體體積 VV 為:

V=012πr(x)h(x)dx=2π01(3x)(x2x7)dx=2π01(3x23x7x3+x8)dx=2π[x338x814x4+19x9]01\begin{align*} V =&\, \int_0^1 2\pi \cdot r(x) \cdot h(x) \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 2\pi \int_0^1 (3 - x)\left( x^2 - x^7 \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 2\pi \int_0^1 \left( 3x^2 - 3x^7 - x^3 + x^8 \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 2\pi \left[ x^3 - \frac{3}{8}x^8 - \frac{1}{4}x^4 + \frac{1}{9}x^9 \right]_0^1 \end{align*}

代入上限 11 與下限 00

V=2π(13814+19)=2π(722718+872)=2π(3572)=35π36\begin{align*} V =&\, 2\pi \left( 1 - \frac{3}{8} - \frac{1}{4} + \frac{1}{9} \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \left( \frac{72 - 27 - 18 + 8}{72} \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \left( \frac{35}{72} \right) = \frac{35\pi}{36} \end{align*}

結論: 旋轉體體積為 35π36\displaystyle \frac{35\pi}{36}