早稲田大学 創造理工学研究科 経営システム工学専攻 2021年8月実施 微积分
Author
思齐塾 , 祭音Myyura
Description
次の定積分について、
∫ 0 2 1 x 2 + 1 d x \int_0^2 \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} dx ∫ 0 2 x 2 + 1 1 d x
x = 1 2 ( y − 1 y ) , ( y > 0 ) x = \frac{1}{2}(y - \frac{1}{y}), (y > 0) x = 2 1 ( y − y 1 ) , ( y > 0 ) と置換(substitute) して計算せよ。
题目描述
对定积分
∫ 0 2 1 x 2 + 1 d x , \int_0^2\frac{1}{\sqrt{x^2+1}}\,dx, ∫ 0 2 x 2 + 1 1 d x ,
使用指定代换
x = 1 2 ( y − 1 y ) , y > 0 , x=\frac12\left(y-\frac1y\right),\qquad y>0, x = 2 1 ( y − y 1 ) , y > 0 ,
完成计算。
Kai
Let x = 1 2 ( y − 1 y ) x = \frac{1}{2}(y - \frac{1}{y}) x = 2 1 ( y − y 1 ) . Then d x = 1 2 ( 1 + 1 y 2 ) d y = 1 2 ( y 2 + 1 y 2 ) d y dx = \frac{1}{2}(1 + \frac{1}{y^2}) dy = \frac{1}{2}(\frac{y^2 + 1}{y^2}) dy d x = 2 1 ( 1 + y 2 1 ) d y = 2 1 ( y 2 y 2 + 1 ) d y .
Also, x 2 = 1 4 ( y 2 − 2 + 1 y 2 ) x^2 = \frac{1}{4}(y^2 - 2 + \frac{1}{y^2}) x 2 = 4 1 ( y 2 − 2 + y 2 1 ) .
Then, x 2 + 1 = 1 4 ( y 2 − 2 + 1 y 2 ) + 1 = 1 4 ( y 2 + 2 + 1 y 2 ) = 1 4 ( y + 1 y ) 2 x^2 + 1 = \frac{1}{4}(y^2 - 2 + \frac{1}{y^2}) + 1 = \frac{1}{4}(y^2 + 2 + \frac{1}{y^2}) = \frac{1}{4}(y + \frac{1}{y})^2 x 2 + 1 = 4 1 ( y 2 − 2 + y 2 1 ) + 1 = 4 1 ( y 2 + 2 + y 2 1 ) = 4 1 ( y + y 1 ) 2 .
So, x 2 + 1 = 1 2 ( y + 1 y ) \sqrt{x^2 + 1} = \frac{1}{2}(y + \frac{1}{y}) x 2 + 1 = 2 1 ( y + y 1 ) .
Then, 1 x 2 + 1 = 2 y + 1 y = 2 y y 2 + 1 \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} = \frac{2}{y + \frac{1}{y}} = \frac{2y}{y^2 + 1} x 2 + 1 1 = y + y 1 2 = y 2 + 1 2 y .
So, 1 x 2 + 1 d x = 2 y y 2 + 1 ⋅ 1 2 y 2 + 1 y 2 d y = 1 y d y \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} dx = \frac{2y}{y^2 + 1} \cdot \frac{1}{2} \frac{y^2 + 1}{y^2} dy = \frac{1}{y} dy x 2 + 1 1 d x = y 2 + 1 2 y ⋅ 2 1 y 2 y 2 + 1 d y = y 1 d y .
Now, when x = 0 x=0 x = 0 , 1 2 ( y − 1 y ) = 0 \frac{1}{2}(y - \frac{1}{y}) = 0 2 1 ( y − y 1 ) = 0 , which implies y − 1 y = 0 y - \frac{1}{y} = 0 y − y 1 = 0 , so y 2 = 1 y^2 = 1 y 2 = 1 . Since y > 0 y > 0 y > 0 , y = 1 y=1 y = 1 .
When x = 2 x=2 x = 2 , 1 2 ( y − 1 y ) = 2 \frac{1}{2}(y - \frac{1}{y}) = 2 2 1 ( y − y 1 ) = 2 , which implies y − 1 y = 4 y - \frac{1}{y} = 4 y − y 1 = 4 , so y 2 − 4 y − 1 = 0 y^2 - 4y - 1 = 0 y 2 − 4 y − 1 = 0 . Then y = 4 ± 16 + 4 2 = 4 ± 20 2 = 4 ± 2 5 2 = 2 ± 5 y = \frac{4 \pm \sqrt{16 + 4}}{2} = \frac{4 \pm \sqrt{20}}{2} = \frac{4 \pm 2\sqrt{5}}{2} = 2 \pm \sqrt{5} y = 2 4 ± 16 + 4 = 2 4 ± 20 = 2 4 ± 2 5 = 2 ± 5 . Since y > 0 y > 0 y > 0 , y = 2 + 5 y = 2 + \sqrt{5} y = 2 + 5 .
Therefore, the integral becomes:
∫ 1 2 + 5 1 y d y = [ ln y ] 1 2 + 5 = ln ( 2 + 5 ) − ln ( 1 ) = ln ( 2 + 5 ) \int_1^{2+\sqrt{5}} \frac{1}{y} dy = \left[ \ln y \right]_1^{2+\sqrt{5}} = \ln(2+\sqrt{5}) - \ln(1) = \ln(2+\sqrt{5}) ∫ 1 2 + 5 y 1 d y = [ ln y ] 1 2 + 5 = ln ( 2 + 5 ) − ln ( 1 ) = ln ( 2 + 5 )
So, the answer is ln ( 2 + 5 ) \ln(2+\sqrt{5}) ln ( 2 + 5 ) .