题目
Problem
Figure 3 shows the design of a doorknob.
The shape of the doorknob is formed by rotating the curve shown in Figure 4 through 360∘ about the x-axis, where the units are centimetres.
The equation of the curve is given by
f(x)=41(4−x)ex,0≤x≤4.
(a) Show that the volume, V cm3, of the doorknob is given by
=VK∫04(x2−8x+16)×e2xdx
where K is a constant to be found.
(3)
(b) Hence, find the exact value of the volume of the doorknob.
Give your answer in the form pπ(eq+r) cm3 where p, q and r are simplified rational numbers to be found.
(5)
题目中文翻译
图 3 给出了一个门把手的设计。
该门把手的形状由图 4 所示曲线绕 x 轴旋转 360∘ 形成,其中单位为厘米。
该曲线的方程为
f(x)=41(4−x)ex,0≤x≤4.
(a) 证明该门把手的体积 V cm3 可表示为
=VK∫04(x2−8x+16)×e2xdx
其中 K 为待求常数。
(3)
(b) 进而求该门把手体积的精确值。
将答案写成 pπ(eq+r) cm3 的形式,其中 p,q,r 为待求的最简有理数。
(5)
解答
(a)
解法一
思路
展开
曲线绕 x 轴旋转所得体积为 π∫y2dx。将 f(x) 平方,展开 (4−x)2,再与题目给出的积分比较即可确定 K。
答题过程
展开
The volume of the solid of revolution is
====Vπ∫04(f(x))2dxπ∫04(41(4−x)ex)2dx16π∫04(4−x)2e2xdx16π∫04(x2−8x+16)e2xdx.
Therefore,
K=16π.
(b)
解法一
思路
展开
承接 (a),直接对二次多项式乘指数函数使用分部积分。第一次求导后降为一次式,第二次分部积分即可完成;最后代入 0,4 并乘上 K=16π。
也可以把积分拆成 x2e2x、−8xe2x 和 16e2x 三项。分别求原函数后再合并,得到与整体分部积分相同的结果。
答题过程
展开
Let
=I∫(x2−8x+16)e2xdx.
Integrating by parts gives
=I21(x2−8x+16)e2x−21∫(2x−8)e2xdx.
For the remaining integral,
==∫(2x−8)e2xdx21(2x−8)e2x−∫e2xdx(x−4)e2x−21e2x.
Hence
=I21(x2−8x+16)e2x−21(x−4)e2x+41e2x.
Alternatively, split I into three terms. By integration by parts,
==∫xe2xdx2xe2x−21∫e2xdxe2x(2x−41).
Applying integration by parts once more,
==∫x2e2xdx2x2e2x−∫xe2xdxe2x(2x2−2x+41).
Also, ∫16e2xdx=8e2x. Combining the three terms gives
==Ie2x(2x2−2x+41)−8e2x(2x−41)+8e2xe2x(2x2−29x+441).
Using the result from part (a),
===V16π[e2x×(21(x2−8x+16)−21(x−4)+41)]0416π(41e8−441)64π(e8−41) cm3.
Thus p=641, q=8 and r=−41.
解法二
思路
展开
注意到积分中的二次式就是 (4−x)2。保留这个结构作两次分部积分,求导会依次得到 −2(4−x) 和常数,因此运算更短。
答题过程
展开
Since
x2−8x+16=(4−x)2,
let
J=∫(4−x)2e2xdx.
Integrating by parts,
=J21(4−x)2e2x+∫(4−x)e2xdx.
A second integration by parts gives
==∫(4−x)e2xdx21(4−x)e2x+21∫e2xdx21(4−x)e2x+41e2x.
Therefore,
===V16π[e2x×(21(4−x)2+21(4−x)+41)]0416π(41e8−441)64π(e8−41) cm3.