Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

112 台聯大微積分(A2) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

112學年度 · 112微積分A2 · 第 3 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Evaluate the integral 14dxx\int_{-1}^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}}.

解答

解法一:區間分割與瑕積分法

思路

展開
  1. 本題求定積分 14dxx\int_{-1}^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}}
  2. 被積函數在 x=0x = 0 處無定義且趨近於無窮大,因此這是一個瑕積分(Improper Integral),且 x=0x=0 為瑕點。
  3. 我們必須將積分區間以 x=0x=0 為界分割為兩部分: 14dxx=10dxx+04dxx\int_{-1}^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}} = \int_{-1}^0 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{-x}} + \int_0^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x}}
  4. 第一部分 10dxx\int_{-1}^0 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{-x}}
    • 定義為 limt01t(x)1/2dx\lim\limits_{t\to 0^-} \int_{-1}^t (-x)^{-1/2} \,\mathrm{d}x
    • 其原函數為 2x-2\sqrt{-x}。代入限值計算。
  5. 第二部分 04dxx\int_0^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x}}
    • 定義為 lims0+s4x1/2dx\lim\limits_{s\to 0^+} \int_s^4 x^{-1/2} \,\mathrm{d}x
    • 其原函數為 2x2\sqrt{x}。代入限值計算。
  6. 將兩部分的值相加即為所求。

答題過程

展開

給定積分為:

I=14dxxI = \int_{-1}^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}}

由於被積函數 f(x)=1xf(x) = \frac{1}{\sqrt{|x|}}x=0x = 0 處趨於無窮大,故 x=0x=0 為積分區間 [1,4][-1, 4] 內的瑕點。我們將其拆分為兩個瑕積分計算:

I=I1+I2=10dxx+04dxxI = I_1 + I_2 = \int_{-1}^0 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}} + \int_0^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}}

第一部分 I1I_1

x[1,0)x \in [-1, 0) 時, x=x|x| = -x。因此:

I1=10dxx=limt01t(x)12dxI_1 = \int_{-1}^0 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{-x}} = \lim_{t \to 0^-} \int_{-1}^t (-x)^{-\frac{1}{2}} \,\mathrm{d}x

利用微積分基本定理,其原函數為 2x-2\sqrt{-x}

I1=limt0[2x]1t=limt0(2t(2(1)))=0+2=2I_1 = \lim_{t \to 0^-} \left[ -2\sqrt{-x} \right]_{-1}^t = \lim_{t \to 0^-} \left( -2\sqrt{-t} - (-2\sqrt{-(-1)}) \right) = 0 + 2 = 2

第二部分 I2I_2

x(0,4]x \in (0, 4] 時, x=x|x| = x。因此:

I2=04dxx=lims0+s4x12dxI_2 = \int_0^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x}} = \lim_{s \to 0^+} \int_s^4 x^{-\frac{1}{2}} \,\mathrm{d}x

其原函數為 2x2\sqrt{x}

I2=lims0+[2x]s4=lims0+(242s)=40=4I_2 = \lim_{s \to 0^+} \left[ 2\sqrt{x} \right]_s^4 = \lim_{s \to 0^+} \left( 2\sqrt{4} - 2\sqrt{s} \right) = 4 - 0 = 4

總和

將兩部分相加:

I=I1+I2=2+4=6I = I_1 + I_2 = 2 + 4 = 6

結論: 3. 填入 6\displaystyle 6