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112 台綜大微積分(B) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

112學年度 · 112微積分B · 第 6 題

題目

Problem

6. Evaluate ∫0112x+10x+12 dx\displaystyle \int_0^1 \frac{1}{2x + 10\sqrt{x} + 12} \,\mathrm{d}x. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算定積分 ∫0112x+10x+12 dx\int_0^1 \frac{1}{2x+10\sqrt{x}+12}\,\mathrm{d}x。
  2. 被積函數的分母含有 x\sqrt{x},這提示我們使用根式代換:令 u=x  ⟹  x=u2u = \sqrt{x} \implies x = u^2。
  3. 第一步:換元與變更上下限:
    • x=u2  ⟹  dx=2u dux = u^2 \implies \mathrm{d}x = 2u\,\mathrm{d}u。
    • 當 x=0  ⟹  u=0x = 0 \implies u = 0;當 x=1  ⟹  u=1x = 1 \implies u = 1。
  4. 第二步:化簡被積函數: 將變數代入後,得到一個有理函數的積分: ∫012u2u2+10u+12 du=∫01uu2+5u+6 du\int_0^1 \frac{2u}{2u^2+10u+12}\,\mathrm{d}u = \int_0^1 \frac{u}{u^2+5u+6}\,\mathrm{d}u。
  5. 第三步:部分分式拆分: 分母可因式分解為 (u+2)(u+3)(u+2)(u+3)。將其拆分為: u(u+2)(u+3)=Au+2+Bu+3\frac{u}{(u+2)(u+3)} = \frac{A}{u+2} + \frac{B}{u+3} 求出 A,BA, B 後求積分。

答題過程

展開

採用換元積分法。令:

u=x  ⟹  x=u2,dx=2u duu = \sqrt{x} \implies x = u^2, \quad \mathrm{d}x = 2u\,\mathrm{d}u

變更積分界限:

  • 當 x=0x = 0 時, u=0u = 0。
  • 當 x=1x = 1 時, u=1u = 1。

代入原積分式:

I= ∫0112u2+10u+12⋅2u du= ∫012u2(u2+5u+6) du= ∫01u(u+2)(u+3) du\begin{align*} I =&\, \int_0^1 \frac{1}{2u^2 + 10u + 12} \cdot 2u\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \int_0^1 \frac{2u}{2(u^2 + 5u + 6)}\,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \int_0^1 \frac{u}{(u + 2)(u + 3)}\,\mathrm{d}u \end{align*}

我們使用部分分式法 (Partial Fractions) 拆分被積函數:

u(u+2)(u+3)=Au+2+Bu+3\frac{u}{(u+2)(u+3)} = \frac{A}{u+2} + \frac{B}{u+3}

同乘分母展開:

u=A(u+3)+B(u+2)u = A(u+3) + B(u+2)
  • 令 u=−2  ⟹  −2=A(1)  ⟹  A=−2u = -2 \implies -2 = A(1) \implies A = -2。
  • 令 u=−3  ⟹  −3=B(−1)  ⟹  B=3u = -3 \implies -3 = B(-1) \implies B = 3。

因此:

u(u+2)(u+3)=−2u+2+3u+3\frac{u}{(u+2)(u+3)} = \frac{-2}{u+2} + \frac{3}{u+3}

進行定積分計算:

I= ∫01(−2u+2+3u+3)du= [−2ln⁡∣u+2∣+3ln⁡∣u+3∣]01= (−2ln⁡3+3ln⁡4)−(−2ln⁡2+3ln⁡3)= −2ln⁡3+3ln⁡(22)+2ln⁡2−3ln⁡3= −5ln⁡3+6ln⁡2+2ln⁡2= 8ln⁡2−5ln⁡3 .\begin{align*} I =&\, \int_0^1 \left( \frac{-2}{u+2} + \frac{3}{u+3} \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \left[ -2\ln|u+2| + 3\ln|u+3| \right]_0^1 \\[4mm] =&\, \left( -2\ln 3 + 3\ln 4 \right) - \left( -2\ln 2 + 3\ln 3 \right) \\[4mm] =&\, -2\ln 3 + 3\ln(2^2) + 2\ln 2 - 3\ln 3 \\[4mm] =&\, -5\ln 3 + 6\ln 2 + 2\ln 2 \\[4mm] =&\, 8\ln 2 - 5\ln 3 \,. \end{align*}