題目
Problem
5. Let R be the region under y=x, above y=lnx, and between x=1 and x=2. (10%)
Find the volume of the solid obtained by rotating R about the x-axis. (9)
Find the volume of the solid obtained by rotating R about the line x=4. (10)
解答
(a)
解法一
思路
展開
- 繞 x 軸旋轉之體積使用墊圈法(Washer method):
V=∫12π[(yupper)2−(ylower)2]dx=π∫12[x−(lnx)2]dx
- 分開積分,並用分部積分法求得 ∫(lnx)2dx。
答題過程
展開
使用墊圈法:
V=π∫12[(x)2−(lnx)2]dx=π∫12[x−(lnx)2]dx
計算第一部分:
∫12xdx=[2x2]12=2−21=23
計算第二部分(使用分部積分):
令 u=(lnx)2,dv=dx⟹du=x2lnxdx,v=x:
∫(lnx)2dx=x(lnx)2−2∫lnxdx=x(lnx)2−2(xlnx−x)=x(lnx)2−2xlnx+2x
帶入積分限 [1,2]:
∫12(lnx)2dx=[x(lnx)2−2xlnx+2x]12=(2(ln2)2−4ln2+4)−(0−0+2)=2(ln2−1)2
合併結果:
V=π[23−2(ln2−1)2]
故 (9) 處應填入 π[23−2(ln2−1)2]。
(b)
解法一
思路
展開
- 繞平行 y 軸的直線 x=4 旋轉,採用圓柱殼法(Cylindrical shells method)最為便利:
V=∫122πr(x)h(x)dx
這裡半徑為 r(x)=4−x,高度為 h(x)=x−lnx。
- 展開被積函數並分項積分。
- ∫(4−x)lnxdx 使用分部積分法求解。
答題過程
展開
使用圓柱殼法:
V=∫122π(4−x)(x−lnx)dx=2π∫12[4x1/2−x3/2−(4−x)lnx]dx
我們將其分為三部分積分:
-
第一項:
∫124x1/2dx=4[32x3/2]12=38(22−1)=3162−38
-
第二項:
∫12x3/2dx=[52x5/2]12=52(42−1)=582−52
-
第三項(使用分部積分):
求不定積分 ∫(4−x)lnxdx。令 u=lnx,dv=(4−x)dx⟹du=x1dx,v=4x−2x2:
∫(4−x)lnxdx=(4x−2x2)lnx−∫(4−2x)dx=(4x−2x2)lnx−(4x−4x2)
代入積分限 [1,2]:
∫12(4−x)lnxdx=[(8−2)ln2−(8−1)]−[0−(4−1/4)]=(6ln2−7)+415=6ln2−413
合併全部積分結果:
V====2π[(3162−38)−(582−52)−(6ln2−413)]2π[2(316−58)−38+52+413−6ln2]2π[15562+6059−6ln2]30π[59+2242−360ln2]
故 (10) 處應填入 30π[59+2242−360ln2]。