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。
- Evaluate the integral:
∫0∞e−2xcosxdx.
解答
解法一:利用拉普拉斯轉換公式法(最速法)
思路
展開
- 本題要求計算廣義積分 ∫0∞e−2xcosxdx。
- 此積分結構完全符合拉普拉斯轉換 (Laplace Transform) 的定義。
- 我們知道經典的拉普拉斯公式:
∫0∞e−sxcos(bx)dx=s2+b2s(其中 s>0)
- 對照本題,令 s=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>0 與 b:
∫0∞e−sxcos(bx)dx=s2+b2s
對照題目中的被積函數 e−2xcosx,我們取:
s=2,b=1
代入公式:
∫0∞e−2xcosxdx=22+122=4+12=52
解法二:分部積分法(傳統做法)
思路
展開
- 令 I=∫e−2xcosxdx。
- 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 I。
- 第一次分部積分:令 u=e−2x⟹du=−2e−2xdx;令 dv=cosxdx⟹v=sinx。
- 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 I 的等式。
- 解出 I 的不定積分表示式後,代入上下限 [0,∞) 求解。
答題過程
展開
我們首先計算不定積分:
I=∫e−2xcosxdx
採用分部積分法,令:
u=e−2x⟹du=−2e−2xdx
dv=cosxdx⟹v=sinx
I=e−2xsinx−∫sinx(−2e−2x)dx=e−2xsinx+2∫e−2xsinxdx— (1)
對式 (1) 中的剩餘積分 ∫e−2xsinxdx 再次使用分部積分,令:
u1=e−2x⟹du1=−2e−2xdx
dv1=sinxdx⟹v1=−cosx
∫e−2xsinxdx=e−2x(−cosx)−∫(−cosx)(−2e−2x)dx=−e−2xcosx−2I
將此代回式 (1):
I=e−2xsinx+2(−e−2xcosx−2I)=e−2xsinx−2e−2xcosx−4I
5I=e−2xsinx−2e−2xcosx⟹I=5e−2x(sinx−2cosx)+C
現在代入廣義積分範圍 [0,∞):
∫0∞e−2xcosxdx==b→∞lim[5e−2x(sinx−2cosx)]0bb→∞lim(5e−2b(sinb−2cosb))−(5e0(sin0−2cos0))
由於當 b→∞ 時, e−2b→0,而括號內的三角函數 sinb−2cosb 有界(由夾擠定理知極限為 0)。代入可得:
∫0∞e−2xcosxdx=0−51(0−2)=52
解法三:歐拉公式複數代換法(另解)
思路
展開
- 利用歐拉公式(Euler’s Formula): cosx=Re(eix)。
- 積分式改寫為:
∫0∞e−2xcosxdx=Re(∫0∞e−2xeixdx)=Re(∫0∞e(−2+i)xdx)
- 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),我們將積分改寫為複數形式:
∫0∞e−2xcosxdx=Re(∫0∞e(−2+i)xdx)
計算複指數函數的定積分:
∫0∞e(−2+i)xdx==[−2+ie(−2+i)x]0∞b→∞lim−2+ie−2beib−−2+i1
因為 limb→∞e−2b=0 且 ∣eib∣=1,第一項極限為 0。代入得:
∫0∞e(−2+i)xdx=−−2+i1=2−i1
我們將分母實數化以求其實部:
2−i1=(2−i)(2+i)2+i=4−i22+i=52+i=52+51i
取其實部 (Real part):
Re(52+51i)=52
結論:
2. 填入 52。