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114 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

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 3 題

題目

Problem

Find the volume of the solid obtained by rotating about the xx-axis the region enclosed by the curves y=4x2+4y = \frac{4}{x^2+4}, y=0y=0, x=0x=0, and x=2x=2.

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

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求計算平面區域繞 xx 軸旋轉一圈所形成的旋轉體體積。
  2. 該平面區域由曲線 y=4x2+4y = \frac{4}{x^2+4}、底邊 y=0y=0、左邊界 x=0x=0 與右邊界 x=2x=2 所圍成。
  3. 第一步:建立體積公式 使用圓盤法 (Disk Method),繞 xx 軸旋轉的體積公式為: V=∫abπ[f(x)]2 dx=∫02π(4x2+4)2 dxV = \int_{a}^{b} \pi [f(x)]^2 \,\mathrm{d}x = \int_{0}^{2} \pi \left( \frac{4}{x^2+4} \right)^2 \,\mathrm{d}x
  4. 第二步:積分求解 被積分函數中包含 (x2+4)2(x^2 + 4)^2。面對 x2+a2x^2 + a^2 的形式,標準做法是使用三角代換法,令 x=atan⁡θx = a\tan\theta。 這裡令 x=2tan⁡θx = 2\tan\theta,微分關係為 dx=2sec⁡2θ dθ\mathrm{d}x = 2\sec^2 \theta \,\mathrm{d}\theta,並更新積分上下限。
  5. 第三步:化簡與計算 代換後,利用三角恆等式 1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1 + \tan^2 \theta = \sec^2 \theta 與餘弦倍角公式 cos⁡2θ=1+cos⁡2θ2\cos^2 \theta = \frac{1 + \cos 2\theta}{2} 進行求值。

答題過程

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第一步:列出體積定積分式

根據圓盤法,旋轉體體積 VV 為:

V=∫02πy2 dx=∫02π(4x2+4)2 dx=16π∫021(x2+4)2 dxV = \int_{0}^{2} \pi y^2 \,\mathrm{d}x = \int_{0}^{2} \pi \left( \frac{4}{x^2+4} \right)^2 \,\mathrm{d}x = 16\pi \int_{0}^{2} \frac{1}{(x^2+4)^2} \,\mathrm{d}x

第二步:三角代換法

令:

x=2tan⁡θ  ⟹  dx=2sec⁡2θ dθx = 2\tan\theta \implies \mathrm{d}x = 2\sec^2 \theta \,\mathrm{d}\theta

同時轉換積分上下限:

  • 當 x=0x = 0 時,2tan⁡θ=0  ⟹  θ=02\tan\theta = 0 \implies \theta = 0。
  • 當 x=2x = 2 時,2tan⁡θ=2  ⟹  tan⁡θ=1  ⟹  θ=π42\tan\theta = 2 \implies \tan\theta = 1 \implies \theta = \frac{\pi}{4}。

將這些關係式代入體積積分式中:

V= 16π∫0π41(4tan⁡2θ+4)2⋅(2sec⁡2θ dθ)= 16π∫0π41(4(tan⁡2θ+1))2⋅2sec⁡2θ dθ= 16π∫0π4116sec⁡4θ⋅2sec⁡2θ dθ= 2π∫0π41sec⁡2θ dtheta= 2π∫0π4cos⁡2θ dθ\begin{align*} V =&\, 16\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{(4\tan^2 \theta + 4)^2} \cdot \left( 2\sec^2 \theta \,\mathrm{d}\theta \right) \\[4mm] =&\, 16\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\big(4(\tan^2 \theta + 1)\big)^2} \cdot 2\sec^2 \theta \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, 16\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{16\sec^4 \theta} \cdot 2\sec^2 \theta \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, 2\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\sec^2 \theta} \,\mathrm{d}theta \\[4mm] =&\, 2\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^2 \theta \,\mathrm{d}\theta \end{align*}

第三步:利用倍角公式求值

利用餘弦倍角公式 cos⁡2θ=1+cos⁡2θ2\cos^2 \theta = \frac{1 + \cos 2\theta}{2}:

V= 2π∫0π41+cos⁡2θ2 dθ= π∫0π4(1+cos⁡2θ) dθ= π[θ+12sin⁡2θ]0π4= π((π4+12sin⁡π2)−(0+0))= π(π4+12(1))= π24+π2=π2+2π4\begin{align*} V =&\, 2\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1 + \cos 2\theta}{2} \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \pi \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} (1 + \cos 2\theta) \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \pi \left[ \theta + \frac{1}{2}\sin 2\theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} \\[4mm] =&\, \pi \left( \left( \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}\sin\frac{\pi}{2} \right) - (0 + 0) \right) \\[4mm] =&\, \pi \left( \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}(1) \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi^2}{4} + \frac{\pi}{2} = \frac{\pi^2 + 2\pi}{4} \end{align*}

因此,第 (3) 格答案為 \frac{\pi^2 + 2\pi}{4}(或寫 \frac{\pi^2}{4} + \frac{\pi}{2})。