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114 政大微積分 Part B 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 8 題

題目

Problem

Let RR be the region under the graph of f(x)=3−2xf(x) = 3 - 2x over the interval −1≤x≤2-1 \le x \le 2. Compute the area of RR as the limit of a sum. (10%)

[!WARNING] 題目勘誤 官方原題:令 RR 為 f(x)=3−2xf(x)=3-2x 在 −1≤x≤2-1\le x\le2 的圖形下方區域,要求計算 RR 的面積;但 f(32)=0f\bigl(\frac32\bigr)=0,且 f(x)<0f(x)<0(當 32<x≤2\frac32<x\le2)。

實際上應為:若「面積」指幾何面積,必須計算 ∫−12∣3−2x∣ dx=132\int_{-1}^{2}|3-2x|\,\mathrm{d}x=\frac{13}{2};∫−12(3−2x) dx=6\int_{-1}^{2}(3-2x)\,\mathrm{d}x=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
  1. 本題要求以黎曼和的極限處理直線 f(x)=3−2xf(x)=3-2x 在 [−1,2][-1,2] 上的面積問題。要先注意曲線在 x=32x=\frac32 穿越 xx 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。
  2. 根據定積分定義,在 [a,b][a, b] 上的黎曼和極限即為定積分值: ∫abf(x) dx=lim⁡n→∞∑i=1nf(xi)Δx\int_{a}^{b} f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^{n} f(x_i) \Delta x 這裡的 a=−1a = -1,b=2b = 2。
  3. 第一步:分割區間 我們將區間 [−1,2][-1, 2] 進行 nn 等分,每個子區間的寬度為: Δx=b−an=2−(−1)n=3n\Delta x = \frac{b - a}{n} = \frac{2 - (-1)}{n} = \frac{3}{n}
  4. 第二步:選取樣本點 我們採用右端點作為樣本點 xix_i: xi=a+iΔx=−1+i(3n)=−1+3in,i=1,2,…,nx_i = a + i \Delta x = -1 + i \left( \frac{3}{n} \right) = -1 + \frac{3i}{n}, \quad i = 1, 2, \dots, n
  5. 第三步:建構並求和黎曼和 將 xix_i 代入函數 f(x)=3−2xf(x) = 3 - 2x: f(xi)=3−2(−1+3in)=5−6inf(x_i) = 3 - 2\left( -1 + \frac{3i}{n} \right) = 5 - \frac{6i}{n} 建立黎曼和級數: Sn=∑i=1nf(xi)Δx=∑i=1n(5−6in)3nS_n = \sum_{i=1}^{n} f(x_i) \Delta x = \sum_{i=1}^{n} \left( 5 - \frac{6i}{n} \right) \frac{3}{n} 利用求和公式 ∑i=1n1=n\sum_{i=1}^n 1 = n 與 ∑i=1ni=n(n+1)2\sum_{i=1}^n i = \frac{n(n+1)}{2} 將級數展開化簡。
  6. 第四步:取 n→∞n \to \infty 的極限,先得到帶符號定積分值;再利用 x=32x=\frac32 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][a, b] = [-1, 2] 劃分為 nn 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=b−an=2−(−1)n=3n\Delta x = \frac{b - a}{n} = \frac{2 - (-1)}{n} = \frac{3}{n}

我們選擇每個子區間的右端點作為黎曼和的計算樣本點 xix_i:

xi=a+iΔx=−1+i(3n)=−1+3in,其中 i=1,2,…,nx_i = a + i\Delta x = -1 + i \left( \frac{3}{n} \right) = -1 + \frac{3i}{n}, \quad \text{其中 } i = 1, 2, \dots, n

第二步:求出樣本點的函數值並列出黎曼和

將 xix_i 代入函數 f(x)=3−2xf(x) = 3 - 2x:

f(xi)=3−2(−1+3in)=3+2−6in=5−6inf(x_i) = 3 - 2\left( -1 + \frac{3i}{n} \right) = 3 + 2 - \frac{6i}{n} = 5 - \frac{6i}{n}

建構黎曼和 SnS_n:

Sn= ∑i=1nf(xi)Δx= ∑i=1n(5−6in)(3n)= ∑i=1n(15n−18in2)= 15n∑i=1n1−18n2∑i=1ni\begin{align*} S_n =&\, \sum_{i=1}^{n} f(x_i) \Delta x \\[4mm] =&\, \sum_{i=1}^{n} \left( 5 - \frac{6i}{n} \right) \left( \frac{3}{n} \right) \\[4mm] =&\, \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{15}{n} - \frac{18i}{n^2} \right) \\[4mm] =&\, \frac{15}{n} \sum_{i=1}^{n} 1 - \frac{18}{n^2} \sum_{i=1}^{n} i \end{align*}

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=1n1=n\displaystyle \sum_{i=1}^{n} 1 = n
  • ∑i=1ni=n(n+1)2\displaystyle \sum_{i=1}^{n} i = \frac{n(n+1)}{2}

將公式代回 SnS_n:

Sn= 15n⋅n−18n2⋅n(n+1)2= 15−9⋅n(n+1)n2= 15−9(1+1n)\begin{align*} S_n =&\, \frac{15}{n} \cdot n - \frac{18}{n^2} \cdot \frac{n(n+1)}{2} \\[4mm] =&\, 15 - 9 \cdot \frac{n(n+1)}{n^2} \\[4mm] =&\, 15 - 9 \left( 1 + \frac{1}{n} \right) \end{align*}

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→∞n \to \infty 時的極限為:

A= lim⁡n→∞Sn= lim⁡n→∞[15−9(1+1n)]= 15−9(1+0)= 6\begin{align*} A =&\, \lim_{n \to \infty} S_n \\[4mm] =&\, \lim_{n \to \infty} \left[ 15 - 9 \left( 1 + \frac{1}{n} \right) \right] \\[4mm] =&\, 15 - 9(1 + 0) \\[4mm] =&\, 6 \end{align*}

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\int_{-1}^{2} (3 - 2x) \,\mathrm{d}x = \Big[ 3x - x^2 \Big]_{-1}^{2} = (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=03-2x=0 時 x=32x=\frac32,且函數在 [32,2]\left[\frac32,2\right] 為負,幾何面積應為:

Area⁡(R)= ∫−132(3−2x) dx+∫322−(3−2x) dx= 254+14= 132.\begin{align*} \operatorname{Area}(R) =&\, \int_{-1}^{\frac32}(3-2x)\,\mathrm{d}x +\int_{\frac32}^{2}-(3-2x)\,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \frac{25}{4}+\frac14 \\[4mm] =&\, \frac{13}{2}. \end{align*}

結論:

  • 黎曼和 lim⁡n→∞∑i=1nf(xi)Δx\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}f(x_i)\Delta x 的帶符號值為 66。
  • 若題目的「面積」按通常幾何面積解讀,則答案為 132\displaystyle\frac{13}{2}。