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112 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

112學年度 · 112微積分A3/A4/A6 · 第 8 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Evaluate the integral ∫−14dx∣x∣\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 ∫−14dx∣x∣\int_{-1}^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}}。(與 A2 第 3 題相同)
  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,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: ∫−14dx∣x∣=∫−10dx−x+∫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. 第一部分原函數為 −2−x-2\sqrt{-x},計算得 22。
  5. 第二部分原函數為 2x2\sqrt{x},計算得 44。
  6. 兩者相加得到總和 66。

答題過程

展開

給定積分為:

I=∫−14dx∣x∣I = \int_{-1}^4 \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{|x|}}

由於被積函數 f(x)=1∣x∣f(x) = \frac{1}{\sqrt{|x|}} 在 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=∫−10dx∣x∣+∫04dx∣x∣I = 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

當 x∈[−1,0)x \in [-1, 0) 時, ∣x∣=−x|x| = -x。因此:

I1=∫−10dx−x=lim⁡t→0−∫−1t(−x)−12 dxI_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 −2−x-2\sqrt{-x}:

I1=lim⁡t→0−[−2−x]−1t=lim⁡t→0−(−2−t−(−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

當 x∈(0,4]x \in (0, 4] 時, ∣x∣=x|x| = x。因此:

I2=∫04dxx=lim⁡s→0+∫s4x−12 dxI_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=lim⁡s→0+[2x]s4=lim⁡s→0+(24−2s)=4−0=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: 8. 填入 6\displaystyle 6。