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114 台綜大微積分 B 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 B

114學年度 · 114微積分B · 第 3 題

題目

Problem

Evaluate the following definite integral:

01xe2xdx=見解答.(10%)\int_{0}^{1} x e^{2x} \,\mathrm{d}x = \underline{\quad\text{見解答}\quad}. \quad (10\%)

(3) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算 01xe2xdx\int_0^1 x e^{2x} \,\mathrm{d}x
  2. 被積函數是代數函數 xx 與指數函數 e2xe^{2x} 的乘積。這是典型的分部積分法 (Integration by Parts) 適用類型。
  3. 分部積分公式為: udv=uvvdu\int u \,\mathrm{d}v = uv - \int v \,\mathrm{d}u
    • 我們依據 “LIATE” 原則選取: 令 u=x    du=dxu = x \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}xdv=e2xdx    v=12e2x\mathrm{d}v = e^{2x} \,\mathrm{d}x \implies v = \frac{1}{2} e^{2x}
  4. 套用公式進行不定積分,隨後代入積分上下限 [0,1][0, 1] 求出數值。

答題過程

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我們使用分部積分法: 令:

u=x    du=dxu = x \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}x dv=e2xdx    v=12e2x\mathrm{d}v = e^{2x} \,\mathrm{d}x \implies v = \frac{1}{2} e^{2x}

套用分部積分公式:

xe2xdx=uvvdu=12xe2x12e2xdx=12xe2x14e2x+C\begin{align*} \int x e^{2x} \,\mathrm{d}x =&\, u \cdot v - \int v \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} x e^{2x} - \int \frac{1}{2} e^{2x} \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} x e^{2x} - \frac{1}{4} e^{2x} + C \end{align*}

將其帶入定積分上下限從 0011

01xe2xdx=[12xe2x14e2x]01=(12(1)e214e2)(12(0)e014e0)=(12e214e2)(014)=14e2+14=e2+14\begin{align*} \int_{0}^{1} x e^{2x} \,\mathrm{d}x =&\, \left[ \frac{1}{2} x e^{2x} - \frac{1}{4} e^{2x} \right]_{0}^{1} \\[4mm] =&\, \left( \frac{1}{2}(1) e^{2} - \frac{1}{4} e^{2} \right) - \left( \frac{1}{2}(0) e^{0} - \frac{1}{4} e^{0} \right) \\[4mm] =&\, \left( \frac{1}{2} e^2 - \frac{1}{4} e^2 \right) - \left( 0 - \frac{1}{4} \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{4} e^2 + \frac{1}{4} \\[4mm] =&\, \frac{e^2 + 1}{4} \end{align*}

結論: 定積分值為 e2+14\displaystyle \frac{e^2 + 1}{4}