题目
Problem
(a) Using the substitution u=2x+1, show that
∫4128x+4e2x+1dx
may be expressed in the form
∫abku2eudu
where a, b and k are constants to be found.
(4)
(b) Hence find, by algebraic integration, the exact value of
∫4128x+4e2x+1dx
giving your answer in simplest form.
(5)
题目中文翻译
(a) 令 u=2x+1,证明
∫4128x+4e2x+1dx
可写成
∫abku2eudu
的形式,其中 a,b,k 为待求常数。
(4)
(b) 进而用代数积分法求
∫4128x+4e2x+1dx
的精确值,并将答案化为最简形式。
(5)
解答
(a)
解法一
思路
展开
由指定代换 u=2x+1 求出微分关系,并把根式、指数及上下限同时换成 u。不能只把 dx 改写成 du 而省略两者的关系。
答题过程
展开
Let u=2x+1. Then
u2=2x+1.
Differentiating gives
2udu=2dx,
so
dx=udu.
Also,
==8x+44(2x+1)2u,
and e2x+1=eu.
When x=4, u=3; when x=12, u=5. Thus, writing the given integral as I,
I==∫35(2u)euudu∫352u2eudu.
Therefore,
a=3,b=5,k=2.
(b)
解法一
思路
展开
承接 (a),对 2u2eu 连续使用两次分部积分。先把多项式次数降低,再得到完整原函数;端点分别计算后相减,避免把两组长代值挤在同一行。
答题过程
展开
From part (a),
I=∫352u2eudu.
For the first integration by parts, differentiate 2u2 and integrate eu.
Writing
J=∫4ueudu,
we obtain
=∫2u2eudu2u2eu−J.
Apply integration by parts again, differentiating 4u and integrating eu:
J==4ueu−4∫eudu4ueu−4eu.
Hence an antiderivative is
F(u)==2u2eu−4ueu+4eu2eu(u2−2u+2).
At the endpoints,
F(5)==2e5(25−10+2)34e5,
F(3)==2e3(9−6+2)10e3.
Therefore,
I==F(5)−F(3)34e5−10e3.
解法二
思路
展开
也可以用 D/I 表呈现分部积分。对 2u2 连续求导,对 eu 连续积分,再按正、负、正号组合对角乘积。多项式求导到零时停止;这等价于两次分部积分。
答题过程
展开
From part (a),
I=∫352u2eudu.
Construct the D/I table:
| Sign | D | I |
|---|
| + | 2u2 | eu |
| − | 4u | eu |
| + | 4 | eu |
| - | 0 | eu |
Multiply each D entry by the I entry in the next row, using the indicated signs.
The resulting antiderivative is
F(u)==2u2eu−4ueu+4eu2eu(u2−2u+2).
Thus
F(5)==2e5(25−10+2)34e5,
F(3)==2e3(9−6+2)10e3.
Therefore,
I==F(5)−F(3)34e5−10e3.