陽明醫學系微積分(105學年度) 期末練習題解答(105上)

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

期末練習題解答(105上)

1. <

解法一> 代入法. 取 u = x − 3, 得 du = dx

且 x = u + 3 以及

∫

x(x

− 3)

5

dx =

∫

(u + 3)u

5

du

=

1

7

u

7

+

3

6

u

6

+ C

=

1

7

(x

− 3)

7

+

1

2

(x

− 3)

6

+ C

<

解法二> 分部積分. 取

u = x,

dv = (x

− 3)

5

dx

得

du = dx,

v =

1

6

(x

− 3)

6

以及

∫

x(x

− 3)

5

dx =

∫

udv

=

1

6

x(x

− 3)

6

−

1

6

∫

(x

− 3)

6

dx

=

1

6

x(x

− 3)

6

−

1

42

(x

− 3)

7

+ C

1

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

2.

根據變數變換, 取 u = x

2

+ 1,

得 du = 2xdx

且 x

2

= u

− 1 以及

x = 0, u = 1;

x =

√

3, u = 4

代入,

∫

√

3

0

x

5

√

x

2

+ 1dx

=

∫

√

3

0

1

2

(x

2

)

2

√

x

2

+ 1(2x)dx

=

1

2

∫

4

1

(u

− 1)

2

√

udu

=

1

2

∫

4

1

(u

5/2

− 2u

3/2

+ u

1/2

)du

=

1

2

(

2

7

u

7/2

−

4

5

u

5/2

+

2

3

u

3/2

)

4

1

=

[(

2

7

7

−

2

6

5

+

2

3

3

)

−

(

1

7

−

2

5

+

1

3

)]

=

(

1920

− 1344 + 280

105

)

−

(

15

− 42 + 35

105

)

=

856

105

−

8

105

=

848

105

2

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期末練習題解答(105上)

3.

根據變數變換, 取 u = sec x, 得

du = sec x tan xdx

且

∫

sec

3

x tan xdx =

∫

sec

2

x

| {z }

u

2

sec x tan xdx

|

{z

}

du

=

1

3

sec

3

x + C

3

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

4.

因為被積函數中的 x

2

,

需使用兩次分部積分. 首

先, 取

u = x

2

,

dv = cos xdx

得

du = 2xdx,

v = sin x

以及

∫

x

2

cos xdx = x

2

sin x

−

∫

2x sin xdx

接著, 再令

u = 2x,

dv = sin xdx

得

du = 2dx,

v =

− cos x

且

∫

x

2

cos xdx

= x

2

sin x

−

(

−2x cos x +

∫

2 cos xdx

)

= x

2

sin x + 2x cos x

− 2 sin x + C

4

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期末練習題解答(105上)

5.

根據變數變換, 令 u = x

2

,

得 du = 2xdx 且

x = 0, u = 0;

x = π, u = π

2

以及

∫

π

0

x cos x

2

dx =

1

2

∫

π

0

cos x

2

(2x)dx

=

1

2

∫

π

2

0

cos udu

=

1

2

sin u

π

2

0

=

1

2

sin π

2

5

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

6.

乍看之下, 被積函數的分母相當複雜, 不知如何下
手, 但分解公因式

√

x,

就明朗了, 即

∫

1

√

x

√

x + x

dx =

∫

1

√

x

√

1 +

√

x

dx

接著, 根據變數變換, 令 u =

√

x + 1,

得

du =

1

2

√

x

dx

以及

∫

1

√

x

√

x + x

dx = 2

∫

1

√

1 +

√

x

(

1

2

√

x

dx

)

= 2

∫

1

√

u

du = 4

√

u + C

= 4

√

1 +

√

x + C

6

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期末練習題解答(105上)

7.

根據代入法, 取 u = tan x, 得

du = sec

2

xdx

以及

∫

(1 + tan

2

x) sec

2

xdx

=

∫

(1 + u

2

)du = u +

1

3

u

3

+ C

= tan x +

1

3

tan

3

x + C

8.

首先, 根據指數律改寫, 就明朗了, 即

∫

e

x+e

x

dx =

∫

e

e

x

e

x

dx

接著, 明顯地, 根據變數變換, 取 u = e

x

,

得

du = e

x

dx

以及

∫

e

x+e

x

dx =

∫

e

e

x

(e

x

)dx

=

∫

e

u

du = e

u

+ C

= e

e

x

+ C

7

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期末練習題解答(105上)

9.

根據半角公式,

∫

sin

2

xdx =

∫

1

2

(1

− cos 2x)dx

=

1

2

x

−

1

4

sin 2x + C

10.

根據半角公式,

∫

cos

2

3xdx =

∫

1

2

(1 + cos 6x)dx

=

1

2

x +

1

12

sin 6x + C

11.

根據三角恆等式,

∫

tan

2

5xdx =

∫

(sec

2

5x

− 1)dx

=

1

5

tan 5x

− x + C

8

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12.

展開並化簡被積函數, 得

∫

(t

2

− 2)(t

2

+ 1)

√

t

dt

=

∫

t

7/2

− t

3/2

− 2t

−1/2

dt

=

2

9

t

9/2

−

2

5

t

5/2

− 4t

1/2

+ C

13.

根據平方差公式,

∫

(2

−

√

x)(2 +

√

x)dx =

∫

(4

− x)dx

= 4x

−

1

2

x

2

+ C

9

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期末練習題解答(105上)

14.

分別將分部積分作用在第一項與第二項, 得

∫

[f (x)g

′′

(x)

− g(x)f

′′

(x)]dx

=

[

f (x)g

′

(x)

−

∫

g

′

(x)f

′

(x)dx

]

−

[

g(x)f

′

(x)

−

∫

f

′

(x)g

′

(x)dx

]

= f (x)g

′

(x)

− g(x)f

′

(x) + C

10

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

15.

因為 f 連續, 根據微積分基本定理, 由連續函數所
定義的符號面積函數

∫

x

0

f (t)dt

是可微的且導函數為 f(x). 因此, 根據乘法規則,
兩邊對 x 微分, 得

f (x) = cos x

− cos x + x sin x

= x sin x

故

f

(

π

2

)

=

π

2

且

f

′

(x) = sin x + x cos x

11

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

16.

因為 e

u

2

連續, 根據微積分基本定理, 符號面積函

數

∫

t

1

e

u

2

du

是自變數為 t 的連續且可微函數. 又

t

∫

t

1

e

u

2

du

亦是連續的, 故再根據微積分基本定理, 由其所定

義的符號面積函數

F (x) =

∫

x

0

[

t

∫

t

1

e

u

2

du

]

dt

是自變數為 x 的連續且可微函數. 因此,

(a) F

′

(x) = x

∫

x

1

e

u

2

du

根據定積分的約定,

(b) F

′

(1) = 1

·

∫

1

1

e

u

2

du = 0

根據乘法規則及微積分基本定理,

(c) F

′′

(x) =

∫

x

1

e

u

2

du + xe

x

2

再根據定積分的約定,

(d) F

′′

(1) =

∫

1

1

e

u

2

du + e = e

12

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期末練習題解答(105上)

17.

根據變數變換, 令 u = 1 + g

2

(x),

得

du = 2g(x)g

′

(x)dx

且

∫

g(x)g

′

(x)

√

1 + g

2

(x)

dx

=

1

2

∫

1

√

1 + g

2

(x)

(2g(x)g

′

(x))dx

=

1

2

∫

1

√

u

du =

√

u + C

=

√

1 + g

2

(x) + C

13

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

18. <

方法一> 同乘除 e

−2x

,

得

∫

1

e

2x

+ 1

dx =

∫

e

−2x

1 + e

−2x

dx

接著, 根據變數變換, 令 u = 1 + e

−2x

,

得

du =

−2e

−2x

dx

以及

∫

1

e

2x

+ 1

dx =

−

1

2

∫

1

1 + e

−2x

|

{z

}

1/u

(

−2e

−2x

)dx

|

{z

}

du

=

−

1

2

ln(1 + e

−2x

) + C

14

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

<

方法二> 同加減 e

2x

,

得

∫

1

e

2x

+ 1

dx =

∫ (

1

−

e

2x

e

2x

+ 1

)

dx

接著, 根據代入法, 取 u = 1 + e

2x

,

得

du = 2e

2x

dx

以及

∫

1

e

2x

+ 1

dx

=

∫

dx

−

1

2

∫

1

1 + e

2x

| {z }

1/u

(2e

2x

)dx

|

{z

}

du

= x

−

1

2

ln(1 + e

2x

) + C

形式上與方法一不同, 但是等價, 請自行驗證.

15

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

19. <

方法一> 同乘除 e

x

,

得

∫

1 + e

−x

1 + xe

−x

dx =

∫

e

x

+ 1

e

x

+ x

dx

接著, 根據變數變換, 令 u = e

x

+ x,

得

du = (e

x

+ 1)dx

以及

∫

1 + e

−x

1 + xe

−x

dx =

∫

1

e

x

+ x

| {z }

1/u

(e

x

+ 1)dx

|

{z

}

du

= ln

|e

x

+ x

| + C

16

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

<

方法二> 同加減 xe

−x

,

得

∫

1 + e

−x

1 + xe

−x

dx =

∫ (

1 +

e

−x

− xe

−x

1 + xe

−x

)

dx

接著, 根據代入法, 令 u = 1 + xe

−x

,

得

du = (e

−x

− xe

−x

)dx

以及

∫

1 + e

−x

1 + xe

−x

dx

=

∫

dx +

∫

1

1 + xe

−x

|

{z

}

1/u

(e

−x

− xe

−x

)dx

|

{z

}

du

= x + ln

|1 + xe

−x

| + C

與方法一等價, 雖然形式上不同, 請自行驗證.

17

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期末練習題解答(105上)

20.

根據分部積分, 取

u = ln(1 + x

2

),

dv = dx

得

du =

2x

1 + x

2

dx,

v = x

以及不定積分

∫

ln(1 + x

2

)dx

= x ln(1 + x

2

)

−

∫

2x

2

1 + x

2

dx

= x ln(1 + x

2

)

− 2

∫ (

1

−

1

1 + x

2

)

dx

= x ln(1 + x

2

)

− 2x + 2 tan

−1

x + C

因此, 定積分

∫

1

0

ln(1 + x

2

)dx

= x ln(1 + x

2

)

− 2x + 2 tan

−1

x

1

0

= (ln 2

− 2 + 2 tan

−1

1)

− (2 tan

−1

0)

= ln 2 +

π

2

− 2

18

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

21.

根據分部積分, 取

u = (ln x)

2

,

dv = dx

得

du = 2 ln x

(

1

x

)

dx,

v = x

以及

∫

(ln x)

2

dx = x(ln x)

2

− 2

∫

ln xdx

再根據分部積分, 取

u = ln x,

dv = dx

得

du =

1

x

dx,

v = x

以及

∫

(ln x)

2

dx = x(ln x)

2

− 2

(

x ln x

−

∫

dx

)

= x(ln x)

2

− 2x ln x + 2x + C

19

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

22.

根據分部積分, 取

u = ln(x + 1),

dv =

1

√

x + 1

dx

得

du =

1

x + 1

dx,

v = 2

√

x + 1

以及

∫

ln(x + 1)

√

x + 1

dx

= 2

√

x + 1 ln(x + 1)

−

∫

2

√

x + 1

dx

= 2

√

x + 1 ln(x + 1)

− 4

√

x + 1 + C

20

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期末練習題解答(105上)

23. <

方法一> 根據分部積分, 取

u = sin

−1

2x,

dv =

1

√

1

− 4x

2

dx

得

du =

2

√

1

− 4x

2

dx,

v =

1

2

sin

−1

(2x)

以及

∫

sin

−1

(2x)

√

1

− 4x

2

dx

=

1

2

[

sin

−1

(2x)

]

2

−

∫

sin

−1

(2x)

√

1

− 4x

2

dx

因為上式中的不定積分剛好就是原式, 移項整理,
得

2

∫

sin

−1

(2x)

√

1

− 4x

2

dx =

1

2

[

sin

−1

(2x)

]

2

因此,

∫

sin

−1

(2x)

√

1

− 4x

2

dx =

1

4

[

sin

−1

(2x)

]

2

+ C

21

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期末練習題解答(105上)

<

方法二> 根據代入法, 令 u = sin

−1

(2x),

得

du =

2

√

1

− 4x

2

dx

以及

∫

sin

−1

(2x)

√

1

− 4x

2

dx

=

1

2

∫

sin

−1

(2x)

|

{z

}

u

2

√

1

− 4x

2

dx

|

{z

}

du

=

1

4

[

sin

−1

(2x)

]

2

+ C

22

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期末練習題解答(105上)

24.

首先, 根據變數變換, 令 w = ln x, 得

dw =

1

x

dx

與

∫

1

x

sin

−1

(ln x)dx =

∫

sin

−1

wdw

接著, 根據分部積分, 取

u = sin

−1

w,

dv = dw

得

du =

1

√

1

− w

2

dw,

v = w

以及

∫

1

x

sin

−1

(ln x)dx

= w sin

−1

w

−

∫

w

√

1

− w

2

dw

= w sin

−1

w +

√

1

− w

2

+ C

= ln x sin

−1

(ln x) +

√

1

− (ln x)

2

+ C

23

中大數學系于振華

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

25.

根據面積公式以及取

u = ln x,

du =

1

x

dx

的變數變換,

面積 =

∫

e

1

ln x

x

dx =

1

2

(ln x)

2

e

1

=

1

2

根據旋轉體體積公式及取

u = ln

2

x,

dv =

1

x

2

dx

的分部積分, 得

du =

2 ln x

x

dx,

v =

−

1

x

與

體積 = π

∫

e

1

ln

2

x

x

2

dx

= π

(

−

ln

2

x

x

e

1

+ 2

∫

e

1

ln x

x

2

dx

)

再使用一次分部積分, 取

u = ln x,

dv =

1

x

2

dx

得

du =

1

x

dx,

v =

−

1

x

24

中大數學系于振華

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

以及旋轉體

體積

= π

[

−

ln

2

x

x

e

1

+ 2

(

−

ln x

x

e

1

+

∫

e

1

1

x

2

dx

)]

= π

(

−

ln

2

x

x

−

2 ln x

x

−

2

x

)

e

1

= π

[(

−

1

e

−

2

e

−

2

e

)

− (−2)

]

=

(

2

−

5

e

)

π

25

中大數學系于振華

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

26.

首先, 根據變數變換, 令 u = tan θ, 得

du = sec

2

θdθ

以及

∫

sec

2

θ

tan

3

θ

− tan

2

θ

dθ =

∫

1

u

2

(u

− 1)

du

接著, 根據部分分式, 令被積函數

1

u

2

(u

− 1)

=

A

u

+

B

u

2

+

C

u

− 1

通分, 解 A, B, C, 得

1 = Au(u

− 1) + B(u − 1) + Cu

2

= (A + C)u

2

+ (B

− A)u − B

比較係數, 得

A =

−1, B = −1, C = 1

因此,

∫

sec

2

θ

tan

3

θ

− tan

2

θ

dθ =

∫

1

u

2

(u

− 1)

du

=

∫ (

−1

u

+

−1

u

2

+

1

u

− 1

)

du

=

− ln | tan θ| +

1

tan θ

+ ln

| tan θ − 1| + C

= ln

|1 − cot θ| + cot θ + C

26

中大數學系于振華

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

27.

同乘除 sec x + tan x 並根據變數變換, 令

u = sec x + tan x

得

du = (sec x tan x + sec

2

x)dx

= sec x(sec x + tan x)dx

以及

∫

sec xdx

=

∫

1

sec x + tan x

|

{z

}

1/u

sec x(sec x + tan x)dx

|

{z

}

du

= ln

| sec x + tan x| + C

28.

因為

d

dx

tan x = sec

2

x

根據不定積分的定義,

∫

sec

2

xdx = tan x + C

27

中大數學系于振華

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

29.

根據分部積分, 取

u = sec x,

dv = sec

2

xdx

得

du = sec x tan xdx,

v = tan x

以及

∫

sec

3

xdx

= sec x tan x

−

∫

sec x tan

2

xdx

= sec x tan x

−

∫

sec x(sec

2

x

− 1)dx

= sec x tan x

−

∫

sec

3

xdx +

∫

sec xdx

= sec x tan x + ln

| sec x + tan x|

−

∫

sec

3

xdx

移項整理, 得

2

∫

sec

3

xdx = sec x tan x+ln

| sec x+tan x|

故

∫

sec

3

xdx

=

1

2

(sec x tan x + ln

| sec x + tan x|) + C

28

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

30.

根據變數變換, 令 u = cos x, 得

du =

− sin xdx

∫

tan x =

∫

sin x

cos x

dx

=

−

∫

1

cos x

| {z }

1/u

(

− sin x)dx

|

{z

}

du

=

− ln | cos x| + C

= ln

| sec x| + C

31.

改寫,

∫

tan

2

xdx =

∫

(sec

2

x

− 1)dx

= tan x

− x + C

32.

改寫並根據變數變換, 令 u = tan x, 得

du = sec

2

xdx

∫

tan

3

xdx =

∫

(sec

2

x

− 1) tan xdx

=

∫

tan x

| {z }

u

sec

2

xdx

|

{z

}

du

−

∫

tan xdx

=

1

2

tan

2

x

− ln | sec x| + C

29

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陽明醫學系微積分(105學年度)

期末練習題解答(105上)

33.

展開並化簡, 得

∫

(1 + tan x)

2

dx

=

∫

(1 + 2 tan x + tan

2

x)dx

=

∫

(sec

2

x + 2 tan x)dx

= tan x + 2 ln

| sec x| + C

34.

改寫並根據變數變換, 令 u = tan x, 得

du = sec

2

xdx

以及

∫

tan

3/2

x sec

4

dx

=

∫

tan

3/2

x(1 + tan

2

x) sec

2

xdx

=

∫

u

3/2

(1 + u

2

)du

=

2

9

tan

9/2

x +

2

5

tan

5/2

x + C

30

中大數學系于振華

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