題目
Problem
6. Evaluate ∫012x+10x+121dx. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算定積分 ∫012x+10x+121dx。
- 被積函數的分母含有 x,這提示我們使用根式代換:令 u=x⟹x=u2。
- 第一步:換元與變更上下限:
- x=u2⟹dx=2udu。
- 當 x=0⟹u=0;當 x=1⟹u=1。
- 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: ∫012u2+10u+122udu=∫01u2+5u+6udu。
- 第三步:部分分式拆分:
分母可因式分解為 (u+2)(u+3)。將其拆分為:
(u+2)(u+3)u=u+2A+u+3B
求出 A,B 後求積分。
答題過程
展開
採用換元積分法。令:
u=x⟹x=u2,dx=2udu
變更積分界限:
- 當 x=0 時, u=0。
- 當 x=1 時, u=1。
代入原積分式:
I===∫012u2+10u+121⋅2udu∫012(u2+5u+6)2udu∫01(u+2)(u+3)udu
我們使用部分分式法 (Partial Fractions) 拆分被積函數:
(u+2)(u+3)u=u+2A+u+3B
同乘分母展開:
u=A(u+3)+B(u+2)
- 令 u=−2⟹−2=A(1)⟹A=−2。
- 令 u=−3⟹−3=B(−1)⟹B=3。
因此:
(u+2)(u+3)u=u+2−2+u+33
進行定積分計算:
I======∫01(u+2−2+u+33)du[−2ln∣u+2∣+3ln∣u+3∣]01(−2ln3+3ln4)−(−2ln2+3ln3)−2ln3+3ln(22)+2ln2−3ln3−5ln3+6ln2+2ln28ln2−5ln3.