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112 台灣大學微積分(B) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

112學年度 · 112台大微積分B · 第 7 題

題目

Problem

7. Determine if the improper integral ∫2∞dxx(x2−1)3/2\int_2^\infty \frac{\mathrm{d}x}{x(x^2 - 1)^{3/2}} is convergent or divergent. Evaluate the improper integral if it is convergent. (7)‾\underline{\quad (7) \quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要判斷廣義(反常)積分 ∫2∞dxx(x2−1)3/2\int_2^\infty \frac{\mathrm{d}x}{x(x^2 - 1)^{3/2}} 的收斂性並求值。
  2. 被積式分母包含 (x2−1)3/2(x^2-1)^{3/2},且積分區間為 x≥2x \ge 2,適合使用三角代換法。
  3. 第一步:選取代換變數:
    • 令 x=sec⁡u  ⟹  dx=sec⁡utan⁡u dux = \sec u \implies \mathrm{d}x = \sec u \tan u \,\mathrm{d}u。
    • 根式項: x2−1=tan⁡u\sqrt{x^2-1} = \tan u。
  4. 第二步:更換積分上下限:
    • 當 x=2  ⟹  sec⁡u=2  ⟹  u=π3x = 2 \implies \sec u = 2 \implies u = \frac{\pi}{3}。
    • 當 x→∞  ⟹  sec⁡u→∞  ⟹  u→π2x \to \infty \implies \sec u \to \infty \implies u \to \frac{\pi}{2}。
  5. 第三步:寫出新定積分並求解:
    • 代入後化簡: ∫π/3π/2sec⁡utan⁡usec⁡utan⁡3u du=∫π/3π/2cot⁡2u du\int_{\pi/3}^{\pi/2} \frac{\sec u \tan u}{\sec u \tan^3 u} \,\mathrm{d}u = \int_{\pi/3}^{\pi/2} \cot^2 u \,\mathrm{d}u
    • 利用恆等式 cot⁡2u=csc⁡2u−1\cot^2 u = \csc^2 u - 1: ∫π/3π/2(csc⁡2u−1) du=[−cot⁡u−u]π/3π/2=13−π6\int_{\pi/3}^{\pi/2} (\csc^2 u - 1) \,\mathrm{d}u = \Big[ -\cot u - u \Big]_{\pi/3}^{\pi/2} = \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{6}
    • 由於積分值為收斂的實數,故反常積分收斂。

答題過程

展開

我們引入三角代換,令:

x=sec⁡u  ⟹  dx=sec⁡utan⁡u dux = \sec u \implies \mathrm{d}x = \sec u \tan u\,\mathrm{d}u

因為 x≥2>1x \ge 2 > 1,我們可以限制 u∈[π3,π2)u \in \left[ \frac{\pi}{3}, \frac{\pi}{2} \right),此時 tan⁡u>0\tan u > 0:

(x2−1)3/2=(sec⁡2u−1)3/2=(tan⁡2u)3/2=tan⁡3u\left( x^2 - 1 \right)^{3/2} = \left( \sec^2 u - 1 \right)^{3/2} = \left( \tan^2 u \right)^{3/2} = \tan^3 u

更換積分上下限:

  • 當 x=2x = 2 時, sec⁡u=2  ⟹  cos⁡u=12  ⟹  u=π3\sec u = 2 \implies \cos u = \frac{1}{2} \implies u = \frac{\pi}{3}。
  • 當 x→∞x \to \infty 時, sec⁡u→∞  ⟹  u→π2−\sec u \to \infty \implies u \to \frac{\pi}{2}^-。

將其代入原積分式:

∫2∞dxx(x2−1)3/2= ∫π3π2sec⁡utan⁡usec⁡u(tan⁡3u) du= ∫π3π21tan⁡2u du=∫π3π2cot⁡2u du\begin{align*} \int_2^\infty \frac{\mathrm{d}x}{x(x^2 - 1)^{3/2}} =&\, \int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sec u \tan u}{\sec u \left( \tan^3 u \right)} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{\tan^2 u} \,\mathrm{d}u = \int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \cot^2 u \,\mathrm{d}u \end{align*}

利用三角恆等式 cot⁡2u=csc⁡2u−1\cot^2 u = \csc^2 u - 1:

∫π3π2cot⁡2u du= ∫π3π2(csc⁡2u−1)du= [−cot⁡u−u]π3π2= (−cot⁡(π2)−π2)−(−cot⁡(π3)−π3)\begin{align*} \int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \cot^2 u \,\mathrm{d}u =&\, \int_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \left( \csc^2 u - 1 \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \Big[ -\cot u - u \Big]_{\frac{\pi}{3}}^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, \left( -\cot\left(\frac{\pi}{2}\right) - \frac{\pi}{2} \right) - \left( -\cot\left(\frac{\pi}{3}\right) - \frac{\pi}{3} \right) \end{align*}

代入三角函數基本值:

  • cot⁡(π2)=0\cot\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0
  • cot⁡(π3)=13=33\cot\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}}{3}

代入計算:

I=(0−π2)−(−13−π3)=13−π2+π3=13−π6I = \left( 0 - \frac{\pi}{2} \right) - \left( -\frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{3} \right) = \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{3} = \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{6}

由於積分值為一個確定實數,該反常積分為收斂(convergent),其收斂值為 13−π6\displaystyle \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{\pi}{6}。

結論: (7) 處應填入 convergent, 1/\sqrt{3} - \pi/6(或 收斂,1/\sqrt{3} - \pi/6 形式)。