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113 台聯大微積分(A2) 第 11 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

113學年度 · 113微積分A2 · 第 11 題

題目

Problem

二、計算、證明題:共3題,每題12分、總計36分。請將題號標明清楚。

(3) Find the area of the region RR that is completely enclosed by the graphs of the functions

y=f(x)=exex+3andy=g(x)=2ex+5ex2.y = f(x) = e^x - e^{-x} + 3 \quad \text{and} \quad y = g(x) = 2e^x + 5e^{-x} - 2 \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算兩曲線 y=f(x)y = f(x)y=g(x)y = g(x) 所圍成區域的面積。
  2. 第一步:求交點(積分限)
    • f(x)=g(x)f(x) = g(x)exex+3=2ex+5ex2    ex+6ex5=0e^x - e^{-x} + 3 = 2e^x + 5e^{-x} - 2 \implies e^x + 6e^{-x} - 5 = 0
    • 兩邊同乘 exe^x 轉化為二次方程式: (ex)25(ex)+6=0(e^x)^2 - 5(e^x) + 6 = 0
    • 解此二次方程式得到 ex=2e^x = 2ex=3e^x = 3
    • 因此,兩交點的 xx 座標為 x=ln2x = \ln 2x=ln3x = \ln 3
  3. 第二步:判斷區間內的函數大小
    • 在區間 [ln2,ln3][\ln 2, \ln 3] 內,比較 f(x)f(x)g(x)g(x) 的大小。
    • 例如,我們可以取 ex=2.5e^x = 2.5 帶入檢驗:
      • f(x)=2.50.4+3=5.1f(x) = 2.5 - 0.4 + 3 = 5.1
      • g(x)=2(2.5)+5(0.4)2=5+22=5g(x) = 2(2.5) + 5(0.4) - 2 = 5 + 2 - 2 = 5
      • 故在區間內 f(x)g(x)f(x) \ge g(x)
  4. 第三步:建立定積分並求解
    • 面積為: A=ln2ln3(f(x)g(x))dx=ln2ln3(5ex6ex)dxA = \int_{\ln 2}^{\ln 3} (f(x) - g(x)) \,\mathrm{d}x = \int_{\ln 2}^{\ln 3} (5 - e^x - 6e^{-x}) \,\mathrm{d}x
    • 計算該定積分。

答題過程

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第一步:求兩曲線的交點

我們令兩函數值相等,聯立求解交點的 xx 座標:

exex+3=2ex+5ex2e^x - e^{-x} + 3 = 2e^x + 5e^{-x} - 2

將所有項移至右側:

ex+6ex5=0e^x + 6e^{-x} - 5 = 0

由於 ex>0e^x > 0,我們將等式兩側同乘以 exe^x

(ex)25ex+6=0(e^x)^2 - 5e^x + 6 = 0

這是一個關於 exe^x 的一元二次方程式。進行因式分解:

(ex2)(ex3)=0    ex=2ex=3(e^x - 2)(e^x - 3) = 0 \implies e^x = 2 \quad \text{或} \quad e^x = 3

兩側取自然對數,解得交點為:

x1=ln2,x2=ln3x_1 = \ln 2, \quad x_2 = \ln 3

第二步:判斷區間內函數的上下邊界

在開區間 x(ln2,ln3)x \in (\ln 2, \ln 3) 內,我們任取一個測試值以判斷哪條曲線在上方。 取 ex=2.5e^x = 2.5

  • f(x)=2.512.5+3=2.50.4+3=5.1f(x) = 2.5 - \frac{1}{2.5} + 3 = 2.5 - 0.4 + 3 = 5.1
  • g(x)=2(2.5)+52.52=5+22=5g(x) = 2(2.5) + \frac{5}{2.5} - 2 = 5 + 2 - 2 = 5

因為 f(x)>g(x)f(x) > g(x),說明在積分區間 [ln2,ln3][\ln 2, \ln 3] 內,曲線 y=f(x)y = f(x) 位於上方。


第三步:積分求解面積

圍成區域的面積 AA 為:

A=ln2ln3(f(x)g(x))dx=ln2ln3((exex+3)(2ex+5ex2))dx=ln2ln3(5ex6ex)dx=[5xex+6ex]ln2ln3\begin{align*} A =&\, \int_{\ln 2}^{\ln 3} \left( f(x) - g(x) \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{\ln 2}^{\ln 3} \left( (e^x - e^{-x} + 3) - (2e^x + 5e^{-x} - 2) \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{\ln 2}^{\ln 3} \left( 5 - e^x - 6e^{-x} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \Big[ 5x - e^x + 6e^{-x} \Big]_{\ln 2}^{\ln 3} \end{align*}

代入上限 x=ln3x = \ln 3(此時 ex=3,ex=1/3e^x = 3, e^{-x} = 1/3)與下限 x=ln2x = \ln 2(此時 ex=2,ex=1/2e^x = 2, e^{-x} = 1/2):

A=(5ln33+6(13))(5ln22+6(12))=(5ln33+2)(5ln22+3)=(5ln31)(5ln2+1)=5(ln3ln2)2=5ln(32)2\begin{align*} A =&\, \left( 5\ln 3 - 3 + 6\left(\frac{1}{3}\right) \right) - \left( 5\ln 2 - 2 + 6\left(\frac{1}{2}\right) \right) \\[4mm] =&\, \left( 5\ln 3 - 3 + 2 \right) - \left( 5\ln 2 - 2 + 3 \right) \\[4mm] =&\, \left( 5\ln 3 - 1 \right) - \left( 5\ln 2 + 1 \right) \\[4mm] =&\, 5(\ln 3 - \ln 2) - 2 \\[4mm] =&\, 5\ln\left(\frac{3}{2}\right) - 2 \end{align*}

結論: 圍成區域的面積為 5ln(32)2\displaystyle 5\ln\left(\frac{3}{2}\right) - 2