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112 台綜大微積分(C) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

112學年度 · 112微積分C · 第 2 題

題目

Problem

2. Evaluate. (10%)

∫0π/2sin⁡2xcos⁡x dx .\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x \,.

解答

解法一(推薦:換元積分法 — 最速解)

思路

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  1. 本題要求計算定積分 ∫0π/2sin⁡2xcos⁡x dx\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x。
  2. 觀察被積函數, cos⁡x\cos x 正好是 sin⁡x\sin x 的導數。這提示我們直接使用換元積分法 (Substitution Method)。
  3. 令 u=sin⁡x  ⟹  du=cos⁡x dxu = \sin x \implies \mathrm{d}u = \cos x\,\mathrm{d}x。
  4. 變更積分上下限:
    • 當 x=0  ⟹  u=0x = 0 \implies u = 0。
    • 當 x=π/2  ⟹  u=1x = \pi/2 \implies u = 1。
  5. 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:

u=sin⁡x  ⟹  du=cos⁡x dxu = \sin x \implies \mathrm{d}u = \cos x\,\mathrm{d}x

變更積分界限:

  • 當 x=0x = 0 時, u=sin⁡0=0u = \sin 0 = 0。
  • 當 x=π2x = \frac{\pi}{2} 時, u=sin⁡π2=1u = \sin\frac{\pi}{2} = 1。

代入積分式中:

∫0π/2sin⁡2xcos⁡x dx= ∫01u2 du= [13u3]01= 13(13−0)=13 .\begin{align*} \int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x =&\, \int_0^1 u^2 \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \left[ \frac{1}{3}u^3 \right]_0^1 \\[4mm] =&\, \frac{1}{3}(1^3 - 0) = \frac{1}{3} \,. \end{align*}

解法二(Wallis 公式法)

思路

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  1. 也可以利用三角恆等式 sin⁡2x=1−cos⁡2x\sin^2 x = 1 - \cos^2 x 將積分展開: ∫0π/2sin⁡2xcos⁡x dx=∫0π/2cos⁡x dx−∫0π/2cos⁡3x dx\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} \cos x \,\mathrm{d}x - \int_0^{\pi/2} \cos^3 x \,\mathrm{d}x
  2. 接著對第二項套用著名的 Wallis 公式 計算 cos⁡\cos 奇數次方在 [0,π/2][0, \pi/2] 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:

∫0π/2sin⁡2xcos⁡x dx=∫0π/2(1−cos⁡2x)cos⁡x dx=∫0π/2cos⁡x dx−∫0π/2cos⁡3x dx\int_0^{\pi/2} \sin^2 x \cos x \,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} (1 - \cos^2 x)\cos x \,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} \cos x \,\mathrm{d}x - \int_0^{\pi/2} \cos^3 x \,\mathrm{d}x

第一項為:

∫0π/2cos⁡x dx=[sin⁡x]0π/2=1\int_0^{\pi/2} \cos x \,\mathrm{d}x = \left[ \sin x \right]_0^{\pi/2} = 1

第二項根據 Wallis 公式:

∫0π/2cos⁡3x dx=23⋅1=23\int_0^{\pi/2} \cos^3 x \,\mathrm{d}x = \frac{2}{3} \cdot 1 = \frac{2}{3}

兩者相減:

I=1−23=13 .I = 1 - \frac{2}{3} = \frac{1}{3} \,.