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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

113學年度 · 113微積分A3/A4/A6 · 第 2 題

題目

Problem

甲、填充題:共8題,每題8分,共64分。請在答案卷上列出題號依序作答。

  1. Evaluate the integral:
0e2xcosxdx.\int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x \,.

解答

解法一:利用拉普拉斯轉換公式法(最速法)

思路

展開
  1. 本題要求計算廣義積分 0e2xcosxdx\int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x
  2. 此積分結構完全符合拉普拉斯轉換 (Laplace Transform) 的定義。
  3. 我們知道經典的拉普拉斯公式: 0esxcos(bx)dx=ss2+b2(其中 s>0)\int_0^\infty e^{-sx} \cos(bx) \,\mathrm{d}x = \frac{s}{s^2 + b^2} \quad (\text{其中 } s > 0)
  4. 對照本題,令 s=2,b=1s = 2, b = 1 代入即可極速求解。

答題過程

展開

根據拉普拉斯轉換之經典積分公式,對於任意實數 s>0s > 0bb

0esxcos(bx)dx=ss2+b2\int_0^\infty e^{-sx} \cos(bx) \,\mathrm{d}x = \frac{s}{s^2 + b^2}

對照題目中的被積函數 e2xcosxe^{-2x} \cos x,我們取:

s=2,b=1s = 2, \quad b = 1

代入公式:

0e2xcosxdx=222+12=24+1=25\int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x = \frac{2}{2^2 + 1^2} = \frac{2}{4 + 1} = \frac{2}{5}

解法二:分部積分法(傳統做法)

思路

展開
  1. I=e2xcosxdxI = \int e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x
  2. 使用兩次分部積分法(Integration by Parts),利用指三角積分的循環性解出 II
    • 第一次分部積分:令 u=e2x    du=2e2xdxu = e^{-2x} \implies \mathrm{d}u = -2e^{-2x}\,\mathrm{d}x;令 dv=cosxdx    v=sinx\mathrm{d}v = \cos x \,\mathrm{d}x \implies v = \sin x
    • 第二次分部積分:對留下的積分項再次使用分部積分,最終會得到包含 II 的等式。
  3. 解出 II 的不定積分表示式後,代入上下限 [0,)[0, \infty) 求解。

答題過程

展開

我們首先計算不定積分:

I=e2xcosxdxI = \int e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x

採用分部積分法,令:

u=e2x    du=2e2xdxu = e^{-2x} \implies \mathrm{d}u = -2e^{-2x}\,\mathrm{d}x dv=cosxdx    v=sinx\mathrm{d}v = \cos x \,\mathrm{d}x \implies v = \sin x I=e2xsinxsinx(2e2x)dx=e2xsinx+2e2xsinxdx— (1)I = e^{-2x} \sin x - \int \sin x \left( -2e^{-2x} \right) \mathrm{d}x = e^{-2x} \sin x + 2 \int e^{-2x} \sin x \,\mathrm{d}x \quad \text{--- (1)}

對式 (1) 中的剩餘積分 e2xsinxdx\int e^{-2x} \sin x \,\mathrm{d}x 再次使用分部積分,令:

u1=e2x    du1=2e2xdxu_1 = e^{-2x} \implies \mathrm{d}u_1 = -2e^{-2x}\,\mathrm{d}x dv1=sinxdx    v1=cosx\mathrm{d}v_1 = \sin x \,\mathrm{d}x \implies v_1 = -\cos x e2xsinxdx=e2x(cosx)(cosx)(2e2x)dx=e2xcosx2I\int e^{-2x} \sin x \,\mathrm{d}x = e^{-2x}(-\cos x) - \int (-\cos x)(-2e^{-2x})\,\mathrm{d}x = -e^{-2x}\cos x - 2I

將此代回式 (1):

I=e2xsinx+2(e2xcosx2I)=e2xsinx2e2xcosx4II = e^{-2x} \sin x + 2\left( -e^{-2x}\cos x - 2I \right) = e^{-2x}\sin x - 2e^{-2x}\cos x - 4I 5I=e2xsinx2e2xcosx    I=e2x(sinx2cosx)5+C5I = e^{-2x}\sin x - 2e^{-2x}\cos x \implies I = \frac{e^{-2x}(\sin x - 2\cos x)}{5} + C

現在代入廣義積分範圍 [0,)[0, \infty)

0e2xcosxdx=limb[e2x(sinx2cosx)5]0b=limb(e2b(sinb2cosb)5)(e0(sin02cos0)5)\begin{align*} \int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x =&\, \lim_{b\to\infty} \left[ \frac{e^{-2x}(\sin x - 2\cos x)}{5} \right]_0^b \\[4mm] =&\, \lim_{b\to\infty} \left( \frac{e^{-2b}(\sin b - 2\cos b)}{5} \right) - \left( \frac{e^0(\sin 0 - 2\cos 0)}{5} \right) \end{align*}

由於當 bb \to \infty 時, e2b0e^{-2b} \to 0,而括號內的三角函數 sinb2cosb\sin b - 2\cos b 有界(由夾擠定理知極限為 00)。代入可得:

0e2xcosxdx=01(02)5=25\int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x = 0 - \frac{1(0 - 2)}{5} = \frac{2}{5}

解法三:歐拉公式複數代換法(另解)

思路

展開
  1. 利用歐拉公式(Euler’s Formula): cosx=Re(eix)\cos x = \text{Re}\left(e^{ix}\right)
  2. 積分式改寫為: 0e2xcosxdx=Re(0e2xeixdx)=Re(0e(2+i)xdx)\int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x = \text{Re} \left( \int_0^\infty e^{-2x} e^{ix} \,\mathrm{d}x \right) = \text{Re} \left( \int_0^\infty e^{(-2+i)x} \,\mathrm{d}x \right)
  3. 積分複指數函數並取實部求解。

答題過程

展開

利用歐拉公式 cosx=Re(eix)\cos x = \text{Re}(e^{ix}),我們將積分改寫為複數形式:

0e2xcosxdx=Re(0e(2+i)xdx)\int_0^\infty e^{-2x} \cos x \,\mathrm{d}x = \text{Re} \left( \int_0^\infty e^{(-2+i)x} \,\mathrm{d}x \right)

計算複指數函數的定積分:

0e(2+i)xdx=[e(2+i)x2+i]0=limbe2beib2+i12+i\begin{align*} \int_0^\infty e^{(-2+i)x} \,\mathrm{d}x =&\, \left[ \frac{e^{(-2+i)x}}{-2+i} \right]_0^\infty \\[4mm] =&\, \lim_{b\to\infty} \frac{e^{-2b}e^{ib}}{-2+i} - \frac{1}{-2+i} \end{align*}

因為 limbe2b=0\lim_{b\to\infty} e^{-2b} = 0eib=1|e^{ib}| = 1,第一項極限為 00。代入得:

0e(2+i)xdx=12+i=12i\int_0^\infty e^{(-2+i)x} \,\mathrm{d}x = -\frac{1}{-2+i} = \frac{1}{2-i}

我們將分母實數化以求其實部:

12i=2+i(2i)(2+i)=2+i4i2=2+i5=25+15i\frac{1}{2-i} = \frac{2+i}{(2-i)(2+i)} = \frac{2+i}{4 - i^2} = \frac{2+i}{5} = \frac{2}{5} + \frac{1}{5}i

取其實部 (Real part):

Re(25+15i)=25\text{Re}\left( \frac{2}{5} + \frac{1}{5}i \right) = \frac{2}{5}

結論: 2. 填入 25\displaystyle \frac{2}{5}