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114 台聯大微積分 A3/A4/A6 第 8 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 8 題

題目

Problem

Find the average value of the function f(x)=x2cos(t2)dtf(x) = \int_{x}^{2} \cos(t^2)\,\mathrm{d}t on the interval [0,2][0, 2].

(8) (8)\underline{\quad(8)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求尋找連續函數 f(x)f(x) 在閉區間 [a,b]=[0,2][a, b] = [0, 2] 上的平均值 (Average Value)
  2. 根據平均值公式,平均值 fˉ\bar{f} 為: fˉ=1baabf(x)dx=12002(x2cos(t2)dt)dx\bar{f} = \frac{1}{b-a} \int_{a}^{b} f(x) \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2-0} \int_{0}^{2} \left( \int_{x}^{2} \cos(t^2)\,\mathrm{d}t \right) \mathrm{d}x
  3. 這是一個變上限積分的定積分,本質上是一個二重積分: fˉ=12Dcos(t2)dA\bar{f} = \frac{1}{2} \iint_{D} \cos(t^2) \,\mathrm{d}A 其中積分區域 DDx-tx\text{-}t 平面上定義為: D={(x,t):0x2,xt2}D = \big\{ (x,t) : 0 \le x \le 2,\, x \le t \le 2 \big\}
  4. 由於 cos(t2)\cos(t^2) 無法以初等函數表示其關於 tt 的原函數(無法直接對 tt 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)
  5. DD 改寫為先對 xx 積分、再對 tt 積分的形式: D={(x,t):0t2,0xt}D = \big\{ (x,t) : 0 \le t \le 2,\, 0 \le x \le t \big\} 這樣便可以先積出 xx,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=12002f(x)dx=1202(x2cos(t2)dt)dx\bar{f} = \frac{1}{2-0} \int_{0}^{2} f(x) \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} \int_{0}^{2} \left( \int_{x}^{2} \cos(t^2)\,\mathrm{d}t \right) \mathrm{d}x

此時,我們是在 x-tx\text{-}t 平面的三角形區域 DD 上進行二重積分,該區域的邊界由以下不等式決定:

0x2,xt20 \le x \le 2, \quad x \le t \le 2

第二步:交換積分順序

x-tx\text{-}t 平面中,該區域是一個頂點在 (0,0)(0,0)(0,2)(0,2)(2,2)(2,2) 的直角三角形。 如果我們交換積分次序,改為對 tt 在外層,對 xx 在內層進行積分,則範圍改寫為:

0t2,0xt0 \le t \le 2, \quad 0 \le x \le t

重新列出積分式:

fˉ=1202(0tcos(t2)dx)dt\begin{align*} \bar{f} =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{2} \left( \int_{0}^{t} \cos(t^2) \,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}t \end{align*}

第三步:分步積分計算

  1. 先計算內層關於 xx 的積分: 因為 cos(t2)\cos(t^2) 關於 xx 是常數,所以:

    0tcos(t2)dx=cos(t2)[x]0t=tcos(t2)\int_{0}^{t} \cos(t^2) \,\mathrm{d}x = \cos(t^2) \Big[ x \Big]_0^t = t\cos(t^2)
  2. 代回外層進行關於 tt 的積分

    fˉ=1202tcos(t2)dt\bar{f} = \frac{1}{2} \int_{0}^{2} t\cos(t^2) \,\mathrm{d}t
  3. 使用代換積分法: 令 u=t2    du=2tdt    tdt=12duu = t^2 \implies \mathrm{d}u = 2t \,\mathrm{d}t \implies t \,\mathrm{d}t = \frac{1}{2} \,\mathrm{d}u。 更新積分上下限:

    • t=0t = 0 時,u=0u = 0
    • t=2t = 2 時,u=4u = 4

    將代換式代入:

    fˉ=1204cosu(12du)=1404cosudu=14[sinu]04=14(sin4sin0)=14sin(4)\begin{align*} \bar{f} =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{4} \cos u \cdot \left( \frac{1}{2} \,\mathrm{d}u \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{4} \int_{0}^{4} \cos u \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{4} \Big[ \sin u \Big]_0^4 \\[4mm] =&\, \frac{1}{4} \big( \sin 4 - \sin 0 \big) \\[4mm] =&\, \frac{1}{4}\sin(4) \end{align*}

因此,第 (8) 格答案為 \frac{1}{4}\sin(4)(或寫 \frac{\sin 4}{4})。