Calculus · real student question

求 (x^3 cos(x/2) + 1/2) 乘 (4 - x^2) 的平方根,從 x = -2 到 x = 2 的定積分。

Question

22(x3cosx2+12)4x2dx.\int_{-2}^{2}\left(x^{3}\cos\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\right)\sqrt{4-x^{2}}\,dx.

Step-by-step solution

  1. 先把積分拆開,不要急著找反導函數。 因式 x3cosx24x2x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}} 沒有初等反導函數,所以無論代換或分部積分都注定失敗。既然積分區間對 00 對稱,就改成拆開處理:

    22x3cosx24x2dx+12224x2dx.\int_{-2}^{2}x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx+\frac{1}{2}\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx.

  2. 用奇偶性判斷第一部分。 x3x^{3} 是奇函數;cosx2\cos\frac{x}{2} 是偶函數;4x2\sqrt{4-x^{2}} 也是偶函數。奇 ×\times×\times 偶為奇,所以整個被積分函數滿足 f(x)=f(x)f(-x)=-f(x)。在對稱區間上,任何奇函數的積分都是零,因為 [2,0][-2,0] 上的有向面積剛好抵掉 [0,2][0,2] 上的有向面積:

    22x3cosx24x2dx=0.\int_{-2}^{2}x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx=0.

    這正是本題的用意——那個看起來很難的項只是誘餌。

  3. 認出第二部分是半圓。 曲線 y=4x2y=\sqrt{4-x^{2}} 等價於 x2+y2=4x^{2}+y^{2}=4y0y\ge 0:也就是半徑 22 的圓的上半部。所以這個積分是幾何面積,不需要去找反導函數:

    224x2dx=12πr2=12π(2)2=2π.\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx=\frac{1}{2}\pi r^{2}=\frac{1}{2}\pi(2)^{2}=2\pi.

  4. 組合回去。 把半圓面積乘上常數 12\tfrac12,再加上那個消失的奇函數部分:

    22(x3cosx2+12)4x2dx=0+12(2π)=π.\int_{-2}^{2}\left(x^{3}\cos\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\right)\sqrt{4-x^{2}}\,dx=0+\frac{1}{2}(2\pi)=\pi.

  5. 用數值方法檢查。[2,2][-2,2] 上用複合辛普森法,完整被積分函數算出 3.14159263.1415926,而單獨的奇函數部分算出 2×10162\times10^{-16},同時印證了精確值 π3.14159\pi\approx 3.14159 與「奇函數相消」的論證。

Answer

π3.14159\pi\approx 3.14159

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