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 R that is completely enclosed by the graphs of the functions
y=f(x)=ex−e−x+3andy=g(x)=2ex+5e−x−2.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算兩曲線 y=f(x) 與 y=g(x) 所圍成區域的面積。
- 第一步:求交點(積分限):
- 令 f(x)=g(x):
ex−e−x+3=2ex+5e−x−2⟹ex+6e−x−5=0
- 兩邊同乘 ex 轉化為二次方程式:
(ex)2−5(ex)+6=0
- 解此二次方程式得到 ex=2 或 ex=3。
- 因此,兩交點的 x 座標為 x=ln2 與 x=ln3。
- 第二步:判斷區間內的函數大小:
- 在區間 [ln2,ln3] 內,比較 f(x) 與 g(x) 的大小。
- 例如,我們可以取 ex=2.5 帶入檢驗:
- f(x)=2.5−0.4+3=5.1。
- g(x)=2(2.5)+5(0.4)−2=5+2−2=5。
- 故在區間內 f(x)≥g(x)。
- 第三步:建立定積分並求解:
- 面積為:
A=∫ln2ln3(f(x)−g(x))dx=∫ln2ln3(5−ex−6e−x)dx
- 計算該定積分。
答題過程
展開
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 x 座標:
ex−e−x+3=2ex+5e−x−2
將所有項移至右側:
ex+6e−x−5=0
由於 ex>0,我們將等式兩側同乘以 ex:
(ex)2−5ex+6=0
這是一個關於 ex 的一元二次方程式。進行因式分解:
(ex−2)(ex−3)=0⟹ex=2或ex=3
兩側取自然對數,解得交點為:
x1=ln2,x2=ln3
第二步:判斷區間內函數的上下邊界
在開區間 x∈(ln2,ln3) 內,我們任取一個測試值以判斷哪條曲線在上方。
取 ex=2.5:
- f(x)=2.5−2.51+3=2.5−0.4+3=5.1
- g(x)=2(2.5)+2.55−2=5+2−2=5
因為 f(x)>g(x),說明在積分區間 [ln2,ln3] 內,曲線 y=f(x) 位於上方。
第三步:積分求解面積
圍成區域的面積 A 為:
A====∫ln2ln3(f(x)−g(x))dx∫ln2ln3((ex−e−x+3)−(2ex+5e−x−2))dx∫ln2ln3(5−ex−6e−x)dx[5x−ex+6e−x]ln2ln3
代入上限 x=ln3(此時 ex=3,e−x=1/3)與下限 x=ln2(此時 ex=2,e−x=1/2):
A=====(5ln3−3+6(31))−(5ln2−2+6(21))(5ln3−3+2)−(5ln2−2+3)(5ln3−1)−(5ln2+1)5(ln3−ln2)−25ln(23)−2
結論:
圍成區域的面積為 5ln(23)−2。