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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 第 6 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 6 題

題目

Problem

6. Suppose that F(x)F(x) is an antiderivative of f(x)=cos⁡xxf(x) = \frac{\cos x}{x}, x>0x > 0. Express ∫13cos⁡3xx dx\int_1^3 \frac{\cos 3x}{x}\,\mathrm{d}x in terms of FF.

解答

解法一:變數代換法

思路

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  1. 已知 F(x)F(x) 為 f(x)=cos⁡xxf(x) = \frac{\cos x}{x} 的反導函數,即 F′(x)=cos⁡xxF'(x) = \frac{\cos x}{x}。
  2. 對於待求定積分 ∫13cos⁡3xx dx\int_1^3 \frac{\cos 3x}{x}\,\mathrm{d}x,為湊出 cos⁡uu\frac{\cos u}{u} 的結構,進行變數代換: 令 u=3x  ⟹  x=u3u = 3x \implies x = \frac{u}{3},且 du=3 dx\mathrm{d}u = 3\,\mathrm{d}x。
  3. 轉換積分限:當 x=1  ⟹  u=3x=1 \implies u=3;當 x=3  ⟹  u=9x=3 \implies u=9。
  4. 代回變數,利用微積分基本定理將結果以 F(9)−F(3)F(9) - F(3) 表示。

答題過程

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考慮定積分:

I=∫13cos⁡3xx dxI = \int_1^3 \frac{\cos 3x}{x}\,\mathrm{d}x

使用變數代換,令 u=3x  ⟹  x=u3u = 3x \implies x = \frac{u}{3},且 dx=13 du\mathrm{d}x = \frac{1}{3}\,\mathrm{d}u。 積分限轉換:

  • 當 x=1  ⟹  u=3x = 1 \implies u = 3。
  • 當 x=3  ⟹  u=9x = 3 \implies u = 9。

代入積分式中:

I=∫39cos⁡uu3⋅(13 du)=∫39cos⁡uu duI = \int_3^9 \frac{\cos u}{\frac{u}{3}} \cdot \left(\frac{1}{3}\,\mathrm{d}u\right) = \int_3^9 \frac{\cos u}{u}\,\mathrm{d}u

因為 F(u)F(u) 是 cos⁡uu\frac{\cos u}{u} 的反導函數,根據微積分基本定理:

I=[F(u)]39=F(9)−F(3)I = \left[ F(u) \right]_3^9 = \boxed{F(9) - F(3)}

解法二:微分變形(湊微元)法

思路

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  1. 我們不顯式寫出變數 uu 的代換方程式,而是直接在微元上進行恆等形變。
  2. 將被積函數與微元 dx\mathrm{d}x 同時乘以 3,得到: cos⁡3xx dx=cos⁡3x3x d(3x)\frac{\cos 3x}{x} \,\mathrm{d}x = \frac{\cos 3x}{3x} \,\mathrm{d}(3x)
  3. 此時被積形式與已知反導函數完全一致,隨後代入對應的上限與下限直接求值。

答題過程

展開

我們將定積分的自變數部分與微元配對整理:

I=∫x=1x=3cos⁡3xx dx=∫x=1x=3cos⁡3x3x d(3x)I = \int_{x=1}^{x=3} \frac{\cos 3x}{x}\,\mathrm{d}x = \int_{x=1}^{x=3} \frac{\cos 3x}{3x}\,\mathrm{d}(3x)

此時,被積函數的形式為 cos⁡(□)□ d(□)\frac{\cos(\square)}{\square}\,\mathrm{d}(\square)。 由於 cos⁡tt\frac{\cos t}{t} 的反導函數為 F(t)F(t),且當 xx 自 11 變動到 33 時,引數 3x3x 自 33 變動到 99。 因此直接得出:

I=[F(3x)]x=1x=3=F(9)−F(3)I = \left[ F(3x) \right]_{x=1}^{x=3} = \boxed{F(9) - F(3)}