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112 台聯大微積分(A2) 第 5 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 5 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Consider the region bounded by the graphs of y=ln⁡xy = \ln x, y=0y = 0, and x=ex = e. Find the volume of the solid formed by revolving the region about the xx-axis.

解答

解法一:圓盤法 (Disk Method)

思路

展開
  1. 本題要求由曲線 y=ln⁡xy = \ln x、直線 y=0y = 0(即 xx 軸)及 x=ex = e 圍成的區域,繞 xx 軸旋轉一周所產生的旋轉體體積。
  2. 該區域的 xx 範圍為:從 y=ln⁡xy = \ln x 與 y=0y = 0 的交點 x=1x = 1 開始,到 x=ex = e 結束,即 x∈[1,e]x \in [1, e]。
  3. 旋轉體體積公式(繞 xx 軸旋轉,圓盤法): V=∫abπ[f(x)]2 dx=π∫1e(ln⁡x)2 dxV = \int_a^b \pi [f(x)]^2 \,\mathrm{d}x = \pi \int_1^e (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x
  4. 計算 ∫(ln⁡x)2 dx\int (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x: 我們使用分部積分法(Integration by Parts): 令 u=(ln⁡x)2u = (\ln x)^2,dv=dx  ⟹  du=2ln⁡xx dx\mathrm{d}v = \mathrm{d}x \implies \mathrm{d}u = \frac{2\ln x}{x}\,\mathrm{d}x,v=xv = x。 ∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−2∫ln⁡x dx\int (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x = x(\ln x)^2 - 2\int \ln x \,\mathrm{d}x 再對 ∫ln⁡x dx\int \ln x \,\mathrm{d}x 進行一次分部積分,得 xln⁡x−xx\ln x - x。 因此: ∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x+C\int (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x = x(\ln x)^2 - 2x\ln x + 2x + C
  5. 代入上下限 11 與 ee 求解體積。

答題過程

展開

旋轉區域由 y=ln⁡xy = \ln x, y=0y = 0(xx 軸)以及 x=ex = e 圍成。 首先求 y=ln⁡xy = \ln x 與 y=0y = 0 的交點:

ln⁡x=0  ⟹  x=1\ln x = 0 \implies x = 1

因此,積分的區間為 x∈[1,e]x \in [1, e]。

我們使用圓盤法(Disk Method)計算繞 xx 軸旋轉的體積 VV:

V=π∫1ey2 dx=π∫1e(ln⁡x)2 dxV = \pi \int_1^e y^2 \,\mathrm{d}x = \pi \int_1^e (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x

為了求出不定積分 ∫(ln⁡x)2 dx\int (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x,我們使用分部積分法。令:

u=(ln⁡x)2  ⟹  du=2ln⁡x⋅1x dxu = (\ln x)^2 \implies \mathrm{d}u = 2\ln x \cdot \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x dv=dx  ⟹  v=x\mathrm{d}v = \mathrm{d}x \implies v = x

根據分部積分公式 ∫u dv=uv−∫v du\int u\,\mathrm{d}v = uv - \int v\,\mathrm{d}u:

∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−∫x⋅(2ln⁡xx) dx=x(ln⁡x)2−2∫ln⁡x dx\int (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x = x (\ln x)^2 - \int x \cdot \left( \frac{2\ln x}{x} \right) \,\mathrm{d}x = x (\ln x)^2 - 2 \int \ln x \,\mathrm{d}x

再對 ∫ln⁡x dx\int \ln x \,\mathrm{d}x 使用一次分部積分: 令 u1=ln⁡x  ⟹  du1=1x dxu_1 = \ln x \implies \mathrm{d}u_1 = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x; dv1=dx  ⟹  v1=x\mathrm{d}v_1 = \mathrm{d}x \implies v_1 = x。

∫ln⁡x dx=xln⁡x−∫x⋅1x dx=xln⁡x−x\int \ln x \,\mathrm{d}x = x \ln x - \int x \cdot \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x = x \ln x - x

代回原式可得:

∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−2(xln⁡x−x)=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x\int (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x = x (\ln x)^2 - 2(x \ln x - x) = x (\ln x)^2 - 2x \ln x + 2x

現在代入積分上下限 11 到 ee:

∫1e(ln⁡x)2 dx=[x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x]1e\int_1^e (\ln x)^2 \,\mathrm{d}x = \left[ x (\ln x)^2 - 2x \ln x + 2x \right]_1^e =(e(ln⁡e)2−2eln⁡e+2e)−(1(ln⁡1)2−2(1)ln⁡1+2(1))= \left( e (\ln e)^2 - 2e \ln e + 2e \right) - \left( 1 (\ln 1)^2 - 2(1) \ln 1 + 2(1) \right)

由於 ln⁡e=1\ln e = 1 且 ln⁡1=0\ln 1 = 0:

=(e−2e+2e)−(0−0+2)=e−2= ( e - 2e + 2e ) - ( 0 - 0 + 2 ) = e - 2

因此,旋轉體體積為:

V=π(e−2)V = \pi (e - 2)

結論: 5. 填入 π(e−2)\displaystyle \pi(e - 2)。