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111 學年度台聯大微積分 A2 乙部第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

111學年度 · 111台聯大微積分A2 · 第 12 題

題目

Problem

3. Sketch the region of integration and evaluate the integral 01y312πsin(πx2)x2dxdy\int_0^1 \int_{\sqrt[3]{y}}^1 \frac{2\pi \sin(\pi x^2)}{x^2}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y. (12 points)

解答

解法一:交換積分順序法

思路

展開
  1. 描繪區域:積分區域由 0y10 \le y \le 1 以及 y3x1\sqrt[3]{y} \le x \le 1 給定。 其左邊界為 x=y3    y=x3x = \sqrt[3]{y} \implies y = x^3,右邊界為 x=1x = 1
  2. 交換積分順序:由於被積函數 sin(πx2)x2\frac{\sin(\pi x^2)}{x^2} 無法直接對 xx 進行初等積分,我們必須交換為先對 yy 後對 xx 積分。
  3. 轉換後的積分區域為: 0x10 \le x \le 10yx30 \le y \le x^3
  4. 積分 yy 後將與 x3x^3 相乘,消去分母 x2x^2,即可用代換積分法完成。

答題過程

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第一步:描繪積分區域並交換順序

原積分區域為:

D={(x,y)R2:0y1,y3x1}D = \left\{ (x, y) \in \mathbb{R}^2 : 0 \le y \le 1, \sqrt[3]{y} \le x \le 1 \right\}

其邊界曲線為:

  • 左邊界: x=y1/3    y=x3x = y^{1/3} \implies y = x^3
  • 下邊界: y=0y = 0
  • 右邊界: x=1x = 1

區域示意圖如下:

       y
       |         / (1,1)
     1 |*-------* (y = x^3)
       | \      |
       |  \  D  |
       |   \    |
-------|----*---|-----> x
       0        1

將區域改寫為先對 yy 積分的形式:

D={(x,y)R2:0x1,0yx3}D = \left\{ (x, y) \in \mathbb{R}^2 : 0 \le x \le 1, 0 \le y \le x^3 \right\}

第二步:計算積分

交換積分順序後:

I=010x32πsin(πx2)x2dydx=012πsin(πx2)x2(0x31dy)dx=012πsin(πx2)x2x3dx=2π01xsin(πx2)dx\begin{align*} I =&\, \int_0^1 \int_0^{x^3} \frac{2\pi \sin(\pi x^2)}{x^2}\,\mathrm{d}y\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_0^1 \frac{2\pi \sin(\pi x^2)}{x^2} \left( \int_0^{x^3} 1\,\mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_0^1 \frac{2\pi \sin(\pi x^2)}{x^2} \cdot x^3 \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 2\pi \int_0^1 x \sin(\pi x^2)\,\mathrm{d}x \end{align*}

使用代換積分法,令 u=πx2    du=2πxdxu = \pi x^2 \implies \mathrm{d}u = 2\pi x\,\mathrm{d}x

  • x=0    u=0x = 0 \implies u = 0
  • x=1    u=πx = 1 \implies u = \pi

代回積分:

I=0πsinudu=[cosu]0π=cosπ(cos0)=(1)(1)=2I = \int_0^\pi \sin u\,\mathrm{d}u = \left[ -\cos u \right]_0^\pi = -\cos\pi - (-\cos 0) = -(-1) - (-1) = \boxed{2}