題目
Problem
2. Evaluate. (10%)
解答
解法一(推薦:換元積分法 — 最速解)
思路
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- 本題要求計算定積分 。
- 觀察被積函數, 正好是 的導數。這提示我們直接使用換元積分法 (Substitution Method)。
- 令 。
- 變更積分上下限:
- 當 。
- 當 。
- 這可以將複雜的三角函數積分簡化成極為簡單的冪函數積分。
答題過程
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我們採用換元積分法。令:
變更積分界限:
- 當 時, 。
- 當 時, 。
代入積分式中:
解法二(Wallis 公式法)
思路
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- 也可以利用三角恆等式 將積分展開:
- 接著對第二項套用著名的 Wallis 公式 計算 奇數次方在 上的積分。
答題過程
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利用三角恆等式展開被積函數:
第一項為:
第二項根據 Wallis 公式:
兩者相減: