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114 台聯大微積分 A2 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

114學年度 · 114微積分A2 · 第 6 題

題目

Problem

Calculate the area of the region that is completely enclosed by the graphs of the functions f(x)=x2f(x) = x^2 and g(x)=4x2g(x) = 4 - x^2.

(6) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求計算由兩條拋物線 f(x)=x2f(x) = x^2(開口向上,頂點在原點)與 g(x)=4x2g(x) = 4-x^2(開口向下,頂點在 (0,4)(0,4))所完全圍成的區域面積。
  2. 第一步:求交點f(x)=g(x)f(x) = g(x),解方程式 x2=4x2x^2 = 4 - x^2 得到交點的 xx 座標,這將作為我們定積分的上下限 [a,b][a, b]
  3. 第二步:判斷上下關係 在交點區間內,開口向下的拋物線在上方,開口向上的在下方,即 g(x)f(x)g(x) \ge f(x)
  4. 第三步:列式計算面積 面積公式為: A=ab(g(x)f(x))dxA = \int_{a}^{b} \Big( g(x) - f(x) \Big) \,\mathrm{d}x 利用對稱性(被積分函數是偶函數,且區間對稱),可以簡化為 20b2 \int_{0}^{b} 來進行計算。

答題過程

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第一步:求交點

令兩曲線方程式相等:

x2=4x22x2=4x2=2x=±2\begin{align*} x^2 =&\, 4 - x^2 \\[4mm] 2x^2 =&\, 4 \\[4mm] x^2 =&\, 2 \\[4mm] x =&\, \pm\sqrt{2} \end{align*}

因此,圍成區域在 xx 軸上的範圍為 [2,2][-\sqrt{2}, \sqrt{2}]


第二步:列式計算

在區間 [2,2][-\sqrt{2}, \sqrt{2}] 內,上方曲線為 g(x)=4x2g(x) = 4-x^2,下方曲線為 f(x)=x2f(x) = x^2

所求面積 AA 為:

A=22(g(x)f(x))dx=22((4x2)x2)dx=22(42x2)dx\begin{align*} A =&\, \int_{-\sqrt{2}}^{\sqrt{2}} \Big( g(x) - f(x) \Big) \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{-\sqrt{2}}^{\sqrt{2}} \Big( (4-x^2) - x^2 \Big) \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{-\sqrt{2}}^{\sqrt{2}} \Big( 4 - 2x^2 \Big) \,\mathrm{d}x \end{align*}

由於被積分函數 42x24-2x^2 是偶函數(關於 yy 軸對稱),且積分區間 [2,2][-\sqrt{2}, \sqrt{2}] 關於原點對稱,我們可以利用對稱性簡化計算:

A=202(42x2)dx=2[4x23x3]02=2(4223(2)3)0=2(42423)=2(122423)=2(823)=1623\begin{align*} A =&\, 2 \int_{0}^{\sqrt{2}} \Big( 4 - 2x^2 \Big) \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 2 \left[ 4x - \frac{2}{3}x^3 \right]_{0}^{\sqrt{2}} \\[4mm] =&\, 2 \left( 4\sqrt{2} - \frac{2}{3}(\sqrt{2})^3 \right) - 0 \\[4mm] =&\, 2 \left( 4\sqrt{2} - \frac{4\sqrt{2}}{3} \right) \\[4mm] =&\, 2 \left( \frac{12\sqrt{2} - 4\sqrt{2}}{3} \right) \\[4mm] =&\, 2 \left( \frac{8\sqrt{2}}{3} \right) \\[4mm] =&\, \frac{16\sqrt{2}}{3} \end{align*}

因此,第 (6) 格答案為 \frac{16\sqrt{2}}{3}