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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 3 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 3 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:
0ln17exex1ex+15dx.\int_0^{\ln 17} \frac{e^x \sqrt{e^x - 1}}{e^x + 15} \,\mathrm{d}x \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算定積分 0ln17exex1ex+15dx\int_0^{\ln 17} \frac{e^x \sqrt{e^x - 1}}{e^x + 15} \,\mathrm{d}x
  2. 被積函數包含根式 ex1\sqrt{e^x - 1},且分子正好有 exdxe^x \,\mathrm{d}x。這強烈提示我們可以使用代換積分法 (Substitution Method)
  3. 第一步:選取代換變數
    • u2=ex1    2udu=exdxu^2 = e^x - 1 \implies 2u\,\mathrm{d}u = e^x \,\mathrm{d}x
    • 將分母 ex+15e^x + 15 表示為: ex+15=(u2+1)+15=u2+16e^x + 15 = (u^2 + 1) + 15 = u^2 + 16
  4. 第二步:更換積分上下限
    • x=0x = 0 時: u2=e01=0    u=0u^2 = e^0 - 1 = 0 \implies u = 0
    • x=ln17x = \ln 17 時: u2=eln171=171=16    u=4u^2 = e^{\ln 17} - 1 = 17 - 1 = 16 \implies u = 4
  5. 第三步:代入積分式並化簡04uu2+162udu=204u2u2+16du\int_0^4 \frac{u}{u^2+16} \cdot 2u\,\mathrm{d}u = 2 \int_0^4 \frac{u^2}{u^2+16} \,\mathrm{d}u =204(116u2+16)du= 2 \int_0^4 \left( 1 - \frac{16}{u^2+16} \right) \mathrm{d}u
  6. 第四步:利用常用積分公式求解
    • 我們知道 1u2+a2du=1atan1(ua)+C\int \frac{1}{u^2+a^2} \,\mathrm{d}u = \frac{1}{a} \tan^{-1}\left(\frac{u}{a}\right) + C
    • 代入計算即可。

答題過程

展開

我們採用換元積分法,令:

u=ex1    u2=ex1    2udu=exdxu = \sqrt{e^x - 1} \implies u^2 = e^x - 1 \implies 2u\,\mathrm{d}u = e^x\,\mathrm{d}x

同時,分母可表示為:

ex+15=(u2+1)+15=u2+16e^x + 15 = (u^2 + 1) + 15 = u^2 + 16

變更積分界限:

  • x=0x = 0 時, u=e01=0u = \sqrt{e^0 - 1} = 0
  • x=ln17x = \ln 17 時, u=eln171=171=4u = \sqrt{e^{\ln 17} - 1} = \sqrt{17 - 1} = 4

將其代回積分式:

I=04uu2+162udu=204u2u2+16du=204(u2+1616u2+16)du=204(116u2+16)du\begin{align*} I =&\, \int_0^4 \frac{u}{u^2 + 16} \cdot 2u\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 2 \int_0^4 \frac{u^2}{u^2 + 16} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 2 \int_0^4 \left( \frac{u^2 + 16 - 16}{u^2 + 16} \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, 2 \int_0^4 \left( 1 - \frac{16}{u^2 + 16} \right) \mathrm{d}u \end{align*}

分開計算積分:

I=2[u1614tan1(u4)]04=2[u4tan1(u4)]04=2((44tan1(1))(04tan1(0)))\begin{align*} I =&\, 2 \left[ u - 16 \cdot \frac{1}{4} \tan^{-1}\left(\frac{u}{4}\right) \right]_0^4 \\[4mm] =&\, 2 \left[ u - 4 \tan^{-1}\left(\frac{u}{4}\right) \right]_0^4 \\[4mm] =&\, 2 \left( \left( 4 - 4 \tan^{-1}(1) \right) - \left( 0 - 4 \tan^{-1}(0) \right) \right) \end{align*}

已知 tan1(1)=π4\tan^{-1}(1) = \frac{\pi}{4}tan1(0)=0\tan^{-1}(0) = 0

I=2(44(π4))=2(4π)=82πI = 2 \left( 4 - 4\left(\frac{\pi}{4}\right) \right) = 2(4 - \pi) = 8 - 2\pi

結論: 3. 填入 82π8 - 2\pi