題目
Problem
6. The volume generated by rotating the region under the curve y=x(x+1)1 from x=1 to x=4 about the x-axis is (6).
解答
解法一
思路
展開
- 本題求平面區域繞 x 軸旋轉的旋轉體體積。
- 根據圓盤法 (Disk Method),旋轉體體積為:
V=∫abπy2dx=π∫14x(x+1)21dx
- 第一步:進行代換積分消去根式:
- 令 x=u2⟹dx=2udu。
- 更換積分上下限:
- 當 x=1⟹u=1。
- 當 x=4⟹u=2。
- 帶入原式:
V=π∫12u2(u+1)21⋅2udu=2π∫12u(u+1)21du
- 第二步:使用部分分式展開法分解被積式:
- 設 u(u+1)21=uA+u+1B+(u+1)2C。
- 通分求得: A=1,B=−1,C=−1。
- 展開為: u1−u+11−(u+1)21。
- 第三步:求原函數並計算定積分值:
- ∫(u1−u+11−(u+1)21)du=lnu+1u+u+11。
- 代入上下限 u∈[1,2]。
答題過程
展開
根據圓盤法,繞 x 軸旋轉的體積公式為:
V=π∫ab[f(x)]2dx
代入本題函數與範圍:
V=π∫14(x(x+1)1)2dx=π∫14x(x+1)21dx
我們進行變數代換,令:
x=u2⟹dx=2udu
更換積分界限:
- 當 x=1 時, u=1。
- 當 x=4 時, u=2。
代入積分式中:
V=π∫12u2(u+1)21(2udu)=2π∫12u(u+1)21du
我們使用部分分式展開法(Partial Fractions)分解被積函數:
u(u+1)21=uA+u+1B+(u+1)2C
同乘分母 u(u+1)2:
1=A(u+1)2+Bu(u+1)+Cu
我們代入特殊值:
- 令 u=0⟹1=A(1)2⟹A=1。
- 令 u=−1⟹1=C(−1)⟹C=−1。
- 對比二次項係數: 0=A+B⟹B=−A=−1。
因此:
u(u+1)21=u1−u+11−(u+1)21
代回積分並求值:
V===2π∫12(u1−u+11−(u+1)21)du2π[ln∣u∣−ln∣u+1∣+u+11]122π[lnu+1u+u+11]12
代入上限 u=2 與下限 u=1:
V====2π((ln32+31)−(ln21+21))2π(ln32−ln21+31−21)2π(ln(1/22/3)−61)2π(ln34−61)
結論:
(6) 處應填入 2π(ln34−61)。