題目
Problem
Find the average value of the function f(x)=∫x2cos(t2)dt on the interval [0,2].
(8) (8).
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求尋找連續函數 f(x) 在閉區間 [a,b]=[0,2] 上的平均值 (Average Value)。
- 根據平均值公式,平均值 fˉ 為:
fˉ=b−a1∫abf(x)dx=2−01∫02(∫x2cos(t2)dt)dx
- 這是一個變上限積分的定積分,本質上是一個二重積分:
fˉ=21∬Dcos(t2)dA
其中積分區域 D 在 x-t 平面上定義為:
D={(x,t):0≤x≤2,x≤t≤2}
- 由於 cos(t2) 無法以初等函數表示其關於 t 的原函數(無法直接對 t 積分),因此處理此類積分的標準技巧是交換積分順序 (Change the Order of Integration)。
- 將 D 改寫為先對 x 積分、再對 t 積分的形式:
D={(x,t):0≤t≤2,0≤x≤t}
這樣便可以先積出 x,進而利用代換積分法順利完成計算。
答題過程
展開
第一步:寫出函數平均值的二重積分式
根據函數在區間上的平均值定義:
fˉ=2−01∫02f(x)dx=21∫02(∫x2cos(t2)dt)dx
此時,我們是在 x-t 平面的三角形區域 D 上進行二重積分,該區域的邊界由以下不等式決定:
0≤x≤2,x≤t≤2
第二步:交換積分順序
在 x-t 平面中,該區域是一個頂點在 (0,0)、(0,2) 與 (2,2) 的直角三角形。
如果我們交換積分次序,改為對 t 在外層,對 x 在內層進行積分,則範圍改寫為:
0≤t≤2,0≤x≤t
重新列出積分式:
fˉ=21∫02(∫0tcos(t2)dx)dt
第三步:分步積分計算
-
先計算內層關於 x 的積分:
因為 cos(t2) 關於 x 是常數,所以:
∫0tcos(t2)dx=cos(t2)[x]0t=tcos(t2)
-
代回外層進行關於 t 的積分:
fˉ=21∫02tcos(t2)dt
-
使用代換積分法:
令 u=t2⟹du=2tdt⟹tdt=21du。
更新積分上下限:
- 當 t=0 時,u=0。
- 當 t=2 時,u=4。
將代換式代入:
fˉ=====21∫04cosu⋅(21du)41∫04cosudu41[sinu]0441(sin4−sin0)41sin(4)
因此,第 (8) 格答案為 \frac{1}{4}\sin(4)(或寫 \frac{\sin 4}{4})。