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114 台聯大微積分 A3/A4/A6 計算第 2(a) 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 13 題

題目

Problem

Evaluate the integral

∫1∞1x+x3 dx.\int_{1}^{\infty} \frac{1}{x + x^3} \,\mathrm{d}x.

(13) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一:部分分式拆解法(標準直觀法)

思路

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  1. 本題要求計算一個上限為無窮大的第一類瑕積分 (Improper Integral)。
  2. 積分的被積分函數為有理分式 1x(1+x2)\frac{1}{x(1+x^2)}。面對有理分式,最常規且通用的解法是部分分式法 (Partial Fraction Decomposition)。
  3. 我們將分式拆解為: 1x(1+x2)=Ax+Bx+C1+x2\frac{1}{x(1+x^2)} = \frac{A}{x} + \frac{Bx+C}{1+x^2}
  4. 利用待定係數法求出 A,B,CA, B, C。
  5. 接著對拆解後的兩部分分別求定積分,再取極限求得瑕積分的值。

答題過程

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第一步:部分分式拆解

我們將被積分式設為:

1x(1+x2)=Ax+Bx+C1+x2\frac{1}{x(1+x^2)} = \frac{A}{x} + \frac{Bx+C}{1+x^2}

通分通分母後,分子應恆等相等:

1=A(1+x2)+(Bx+C)x  ⟹  1=(A+B)x2+Cx+A1 = A(1+x^2) + (Bx+C)x \implies 1 = (A+B)x^2 + Cx + A

比較等號兩側對應項的係數,得到方程組:

{A+B=0C=0A=1\begin{align*} \begin{cases} A+B = 0 \\[2mm] C = 0 \\[2mm] A = 1 \end{cases} \end{align*}

解得:

A=1,B=−1,C=0A = 1, \quad B = -1, \quad C = 0

因此,被積分分式可拆解為:

1x+x3=1x−x1+x2\frac{1}{x+x^3} = \frac{1}{x} - \frac{x}{1+x^2}

第二步:求不定積分

∫(1x−x1+x2)dx= ∫1x dx−12∫2x1+x2 dx= ln⁡∣x∣−12ln⁡(1+x2)+C0= ln⁡(x1+x2)+C0\begin{align*} \int \left( \frac{1}{x} - \frac{x}{1+x^2} \right) \mathrm{d}x =&\, \int \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x - \frac{1}{2} \int \frac{2x}{1+x^2} \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \ln|x| - \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + C_0 \\[4mm] =&\, \ln\left( \frac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) + C_0 \end{align*}

第三步:計算定積分與極限值

根據瑕積分的定義:

∫1∞1x+x3 dx= lim⁡b→∞∫1b(1x−x1+x2)dx= lim⁡b→∞[ln⁡(x1+x2)]1b= lim⁡b→∞(ln⁡(b1+b2)−ln⁡(11+12))= lim⁡b→∞ln⁡(11b2+1)−ln⁡(12)= ln⁡(1)−(−12ln⁡2)= 0+12ln⁡2=ln⁡22\begin{align*} \int_{1}^{\infty} \frac{1}{x + x^3} \,\mathrm{d}x =&\, \lim_{b \to \infty} \int_{1}^{b} \left( \frac{1}{x} - \frac{x}{1+x^2} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \lim_{b \to \infty} \left[ \ln\left( \frac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) \right]_{1}^{b} \\[4mm] =&\, \lim_{b \to \infty} \left( \ln\left( \frac{b}{\sqrt{1+b^2}} \right) - \ln\left( \frac{1}{\sqrt{1+1^2}} \right) \right) \\[4mm] =&\, \lim_{b \to \infty} \ln\left( \frac{1}{\sqrt{\frac{1}{b^2}+1}} \right) - \ln\left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) \\[4mm] =&\, \ln(1) - \left( -\frac{1}{2}\ln 2 \right) \\[4mm] =&\, 0 + \frac{1}{2}\ln 2 = \frac{\ln 2}{2} \end{align*}

因此,答案為 \frac{\ln 2}{2}。


解法二:分子分母同除以 x3x^3 的代換法(巧妙速解法)

思路

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  1. 這是一個非常巧妙且常出現在微積分考試中的「倒數代換」變形。
  2. 我們將分子與分母同時除以 x3x^3(或分子分母同乘 x−3x^{-3}): 1x+x3=x−3x−2+1\frac{1}{x+x^3} = \frac{x^{-3}}{x^{-2}+1}
  3. 這樣一來,分母 x−2+1x^{-2}+1 的導數為 −2x−3-2x^{-3},剛好與分子上的 x−3x^{-3} 只差一個常數倍數!
  4. 因此,我們可以令 u=x−2u = x^{-2}(或 u=x−2+1u = x^{-2}+1)進行代換積分,大幅簡化積分過程,避免了繁瑣的部分分式拆解。

答題過程

展開

我們將被積分函數進行代數整理:

1x+x3=1x31x2+1=x−3x−2+1\frac{1}{x+x^3} = \frac{\frac{1}{x^3}}{\frac{1}{x^2}+1} = \frac{x^{-3}}{x^{-2}+1}

令代換變數為:

u=x−2  ⟹  du=−2x−3 dx  ⟹  x−3 dx=−12 duu = x^{-2} \implies \mathrm{d}u = -2x^{-3} \,\mathrm{d}x \implies x^{-3} \,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2} \,\mathrm{d}u

同時轉換積分上下限:

  • 當 x=1x = 1 時,u=1−2=1u = 1^{-2} = 1。
  • 當 x→∞x \to \infty 時,u→0u \to 0。

將其代入原定積分中(注意積分上下限會因為負號而對調):

∫1∞1x+x3 dx= ∫101u+1⋅(−12 du)= 12∫011u+1 du= 12[ln⁡∣u+1∣]01= 12(ln⁡2−ln⁡1)= ln⁡22\begin{align*} \int_{1}^{\infty} \frac{1}{x + x^3} \,\mathrm{d}x =&\, \int_{1}^{0} \frac{1}{u+1} \cdot \left( -\frac{1}{2} \,\mathrm{d}u \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{1} \frac{1}{u+1} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \Big[ \ln|u+1| \Big]_{0}^{1} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \big( \ln 2 - \ln 1 \big) \\[4mm] =&\, \frac{\ln 2}{2} \end{align*}

因此,答案為 \frac{\ln 2}{2}(或寫成 \ln\sqrt{2})。