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111 台灣大學微積分(B) 第 6 題

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111學年度 · 111台大微積分B · 第 6 題

題目

Problem

6. (a) ∫01x(sin⁡x+sin⁡−1x) dx=(9)‾ .\displaystyle\int_0^1 x(\sin x + \sin^{-1} x)\,\mathrm{d}x = \underline{\quad (9) \quad} \,.

(b) Let DD be the region enclosed by the curve y=(10x−x2−21)14y = (10x-x^2-21)^{\frac{1}{4}} and the xx-axis. The volume of the solid obtained by revolving DD about the xx-axis is \underline{\quad (10) \quad} ,.

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 將積分拆開成兩部分: ∫01xsin⁡x dx+∫01xsin⁡−1x dx\int_0^1 x\sin x\,\mathrm{d}x + \int_0^1 x\sin^{-1}x\,\mathrm{d}x
  2. 第一部分 xsin⁡xx\sin x 使用分部積分法 (Integration by parts) 求解。
  3. 第二部分 xsin⁡−1xx\sin^{-1}x 可使用變數變換,令 x=sin⁡θx = \sin\theta,轉化為三角函數積分求解。

答題過程

展開

原積分拆開:

I=∫01xsin⁡x dx⏟I1+∫01xsin⁡−1x dx⏟I2I = \underbrace{\int_0^1 x\sin x\,\mathrm{d}x}_{I_1} + \underbrace{\int_0^1 x\sin^{-1}x\,\mathrm{d}x}_{I_2}

計算 I1I_1: 使用分部積分,令 u=x,dv=sin⁡x dx  ⟹  du=dx,v=−cos⁡xu = x, \mathrm{d}v = \sin x\,\mathrm{d}x \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}x, v = -\cos x:

I1=[−xcos⁡x]01+∫01cos⁡x dx=−cos⁡(1)+0+[sin⁡x]01=sin⁡1−cos⁡1I_1 = \left[ -x\cos x \right]_0^1 + \int_0^1 \cos x\,\mathrm{d}x = -\cos(1) + 0 + \left[ \sin x \right]_0^1 = \sin 1 - \cos 1

計算 I2I_2: 令 x=sin⁡θ  ⟹  dx=cos⁡θ dθx = \sin\theta \implies \mathrm{d}x = \cos\theta\,\mathrm{d}\theta,積分區間為 0→π20 \to \frac{\pi}{2}:

I2=∫0π/2θsin⁡θcos⁡θ dθ=12∫0π/2θsin⁡(2θ) dθI_2 = \int_0^{\pi/2} \theta \sin\theta \cos\theta\,\mathrm{d}\theta = \frac{1}{2} \int_0^{\pi/2} \theta \sin(2\theta)\,\mathrm{d}\theta

使用分部積分,令 u=θ,dv=sin⁡(2θ) dθ  ⟹  du=dθ,v=−12cos⁡(2θ)u = \theta, \mathrm{d}v = \sin(2\theta)\,\mathrm{d}\theta \implies \mathrm{d}u = \mathrm{d}\theta, v = -\frac{1}{2}\cos(2\theta):

I2= 12([−θ2cos⁡(2θ)]0π/2+12∫0π/2cos⁡(2θ) dθ)= 12(−π4cos⁡(π)+0+14[sin⁡(2θ)]0π/2)= 12(π4+0)=π8\begin{align*} I_2 =&\, \frac{1}{2} \left( \left[ -\frac{\theta}{2}\cos(2\theta) \right]_0^{\pi/2} + \frac{1}{2} \int_0^{\pi/2} \cos(2\theta)\,\mathrm{d}\theta \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( -\frac{\pi}{4}\cos(\pi) + 0 + \frac{1}{4}\left[ \sin(2\theta) \right]_0^{\pi/2} \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{4} + 0 \right) = \frac{\pi}{8} \end{align*}

合併:

I=I1+I2=sin⁡1−cos⁡1+π8I = I_1 + I_2 = \sin 1 - \cos 1 + \frac{\pi}{8}

故 (9) 處應填入 sin⁡1−cos⁡1+π8\displaystyle\boxed{\sin 1 - \cos 1 + \frac{\pi}{8}}。


(b)

解法一

思路

展開
  1. 利用圓盤法(Disk method)公式求繞 xx 軸旋轉之體積: V=∫abπy2 dxV = \int_{a}^{b} \pi y^2\,\mathrm{d}x
  2. 首先解出 y=0y=0 的交點作為積分限:即 10x−x2−21=010x-x^2-21 = 0 的根。
  3. 代入公式得: V=π∫3710x−x2−21 dxV = \pi \int_3^7 \sqrt{10x-x^2-21}\,\mathrm{d}x。
  4. 配方後利用幾何意義(半圓面積)求出積分值,避免繁瑣的三角代換。

答題過程

展開

解 y=(10x−x2−21)1/4=0  ⟹  x2−10x+21=(x−3)(x−7)=0y = (10x-x^2-21)^{1/4} = 0 \implies x^2 - 10x + 21 = (x-3)(x-7) = 0,故積分限為 x=3x = 3 至 x=7x = 7。

利用圓盤法:

V=π∫37y2 dx=π∫3710x−x2−21 dxV = \pi \int_3^7 y^2\,\mathrm{d}x = \pi \int_3^7 \sqrt{10x-x^2-21}\,\mathrm{d}x

將根號內配方:

10x−x2−21=4−(x−5)210x-x^2-21 = 4 - (x-5)^2

故:

V=π∫374−(x−5)2 dxV = \pi \int_3^7 \sqrt{4 - (x-5)^2}\,\mathrm{d}x

被積函數 h(x)=4−(x−5)2h(x) = \sqrt{4 - (x-5)^2} 的圖形為以 (5,0)(5, 0) 為圓心、半徑 R=2R=2 的上半圓。 積分區間 [3,7][3, 7] 正好對應整個半圓。由幾何意義,此定積分的值等於該半圓的面積:

∫374−(x−5)2 dx=12πR2=12π(22)=2π\int_3^7 \sqrt{4 - (x-5)^2}\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} \pi R^2 = \frac{1}{2} \pi (2^2) = 2\pi

因此,旋轉體體積為:

V=π⋅(2π)=2π2V = \pi \cdot (2\pi) = \boxed{2\pi^2}