題目
Problem
Let R be the region under the graph of f(x)=3−2x over the interval −1≤x≤2. Compute the area of R as the limit of a sum. (10%)
[!WARNING] 題目勘誤
官方原題:令 R 為 f(x)=3−2x 在 −1≤x≤2 的圖形下方區域,要求計算 R 的面積;但 f(23)=0,且 f(x)<0(當 23<x≤2)。
實際上應為:若「面積」指幾何面積,必須計算 ∫−12∣3−2x∣dx=213;∫−12(3−2x)dx=6 則是帶符號的定積分值。原題沒有說明採用哪一種量。
本頁保留官方原題並忠實收錄,未替換原題條件;下列以黎曼和先算出帶符號積分,並再分段取得幾何面積。
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求以黎曼和的極限處理直線 f(x)=3−2x 在 [−1,2] 上的面積問題。要先注意曲線在 x=23 穿越 x 軸;因此普通黎曼和給出的是帶符號積分,而幾何面積還要在穿越處分段取正負面積。
- 根據定積分定義,在 [a,b] 上的黎曼和極限即為定積分值:
∫abf(x)dx=limn→∞∑i=1nf(xi)Δx
這裡的 a=−1,b=2。
- 第一步:分割區間
我們將區間 [−1,2] 進行 n 等分,每個子區間的寬度為:
Δx=nb−a=n2−(−1)=n3
- 第二步:選取樣本點
我們採用右端點作為樣本點 xi:
xi=a+iΔx=−1+i(n3)=−1+n3i,i=1,2,…,n
- 第三步:建構並求和黎曼和
將 xi 代入函數 f(x)=3−2x:
f(xi)=3−2(−1+n3i)=5−n6i
建立黎曼和級數:
Sn=∑i=1nf(xi)Δx=∑i=1n(5−n6i)n3
利用求和公式 ∑i=1n1=n 與 ∑i=1ni=2n(n+1) 將級數展開化簡。
- 第四步:取 n→∞ 的極限,先得到帶符號定積分值;再利用 x=23 分段,得到原文「面積」按通常幾何意義應有的正值。
答題過程
展開
我們將區間 [a,b]=[−1,2] 劃分為 n 個長度相等的子區間。
第一步:計算子區間寬度與樣本點
每個子區間的寬度為:
Δx=nb−a=n2−(−1)=n3
我們選擇每個子區間的右端點作為黎曼和的計算樣本點 xi:
xi=a+iΔx=−1+i(n3)=−1+n3i,其中 i=1,2,…,n
第二步:求出樣本點的函數值並列出黎曼和
將 xi 代入函數 f(x)=3−2x:
f(xi)=3−2(−1+n3i)=3+2−n6i=5−n6i
建構黎曼和 Sn:
Sn====i=1∑nf(xi)Δxi=1∑n(5−n6i)(n3)i=1∑n(n15−n218i)n15i=1∑n1−n218i=1∑ni
第三步:利用求和公式化簡級數
利用常用的級數求和公式:
- i=1∑n1=n
- i=1∑ni=2n(n+1)
將公式代回 Sn:
Sn===n15⋅n−n218⋅2n(n+1)15−9⋅n2n(n+1)15−9(1+n1)
第四步:取無窮大極限得到帶符號定積分
黎曼和在分點數 n→∞ 時的極限為:
A====n→∞limSnn→∞lim[15−9(1+n1)]15−9(1+0)6
這個值是帶符號定積分;直接積分也得到相同結果:
∫−12(3−2x)dx=[3x−x2]−12=(6−4)−(−3−1)=2−(−4)=6
與黎曼和極限計算結果一致。
第五步:若依通常的幾何面積解讀,必須在過零點分段
因為 3−2x=0 時 x=23,且函數在 [23,2] 為負,幾何面積應為:
Area(R)===∫−123(3−2x)dx+∫232−(3−2x)dx425+41213.
結論:
- 黎曼和 n→∞limi=1∑nf(xi)Δx 的帶符號值為 6。
- 若題目的「面積」按通常幾何面積解讀,則答案為 213。