Calculus · real student question

已知 F(x) 為 dx/(2x + 1) 的積分且 F(0) = 0,求 F((e^2 - 1)/2)。

Question

F(x)=dx2x+1,F(0)=0F(x)=\int\frac{dx}{2x+1},\qquad F(0)=0

F ⁣(e212)F\!\left(\dfrac{e^2-1}{2}\right)

Step-by-step solution

  1. 用代換 u=2x+1u=2x+1 積分。 被積分函數是一次式的倒數,用一次代換就能解決:

    u=2x+1,du=2dx,dx=du2u=2x+1,\qquad du=2\,dx,\qquad dx=\frac{du}{2}

    F(x)=1udu2=12lnu+C=12ln2x+1+CF(x)=\int\frac{1}{u}\cdot\frac{du}{2}=\frac{1}{2}\ln|u|+C=\frac{1}{2}\ln|2x+1|+C

    那個 12\tfrac12 是把「內層的導數」還原回來的因子;漏掉它是這類積分最常犯的錯。

  2. 用初始條件把積分常數定下來。 代入 x=0x=0

    F(0)=12ln1+C=0+CF(0)=\frac{1}{2}\ln|1|+C=0+C

    F(0)=0F(0)=0 迫使

    C=0F(x)=12ln2x+1C=0\qquad\Longrightarrow\qquad F(x)=\frac{1}{2}\ln|2x+1|

    初始條件的作用,就是把一整族反導函數升級成唯一一個函數。

  3. 代入之前先把括號裡面化簡。x=e212x=\dfrac{e^2-1}{2}

    2x+1=2e212+1=(e21)+1=e22x+1=2\cdot\frac{e^2-1}{2}+1=(e^2-1)+1=e^2

    這個看起來很彆扭的輸入值,正是刻意設計成讓 2x+12x+1 縮成 e2e^2——永遠先把對數裡面化簡。另外 e2>0e^2>0,所以絕對值不影響結果。

  4. 求值。ln(e2)=2\ln(e^2)=2

    F ⁣(e212)=12ln(e2)=122=1F\!\left(\frac{e^2-1}{2}\right)=\frac{1}{2}\ln\left(e^2\right)=\frac{1}{2}\cdot 2=1

    1\boxed{1}

  5. 用定積分交叉驗算。 因為 F(0)=0F(0)=0,答案也等於

    0(e21)/2dx2x+1=[12ln(2x+1)]0(e21)/2=12(20)=1\int_0^{(e^2-1)/2}\frac{dx}{2x+1}=\left[\frac{1}{2}\ln(2x+1)\right]_0^{(e^2-1)/2}=\frac{1}{2}(2-0)=1

    數值上上限約為 3.1945\approx 3.1945,而 12ln(23.1945+1)=1.0000\tfrac12\ln(2\cdot 3.1945+1)=1.0000,確認了這個值。

Answer

11

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