题目
Problem
The curve C, shown in Figure 3, has equation
y=1+x(arctanx)x−41
The region R, shown shaded in Figure 3, is bounded by C, the line with equation x=3, the x-axis and the line with equation x=31.
The region R is rotated through 360∘ about the x-axis to form a solid.
Using the substitution tanu=x
(a) show that the volume V of the solid formed is given by
k∫abu21du
where k,a and b are constants to be found.
(6)
(b) Hence, using algebraic integration, find the value of V in simplest form.
(3)
题目中文翻译
曲线 C 如图 3 所示,其方程为
y=1+x(arctanx)x−41
阴影区域 R 由 C、直线 x=3、x 轴以及直线 x=31 围成。
将区域 R 绕 x 轴旋转 360∘,形成一个立体。
使用代换 tanu=x,
(a) 证明所形成立体的体积 V 为
k∫abu21du
其中 k,a,b 为待求常数。
(b) 进而使用代数积分,求 V 的最简值。
解答
(a)
解法一
思路
展开
绕 x 轴旋转的体积公式是
V=π∫y2dx
本题给出代换 tanu=x。关键是把 x、1+x、arctanx 和 dx 全部换成 u,同时把上下限 x=31,3 换成对应的 u 值。
答题过程
展开
The volume of revolution about the x-axis is
V=π∫313y2dx
Since
y=1+x(arctanx)x−41
we have
y2=(1+x)(arctanx)2x−21
Therefore
V=π∫313(1+x)(arctanx)2x−21dx
Use the substitution
tanu=x
Then
x=tan2u
and
dudx=2tanusec2u
so
dx=2tanusec2udu
Also,
x−21=x1=tanu1
and
1+x=1+tan2u=sec2u
Also,
arctanx=u
Substitute into the integral:
V==π∫sec2u⋅u2tanu1(2tanusec2u)du2π∫u21du
Now find the new limits.
When
x=31
we have
tanu=31
so
u=6π
When
x=3
we have
tanu=3
so
u=3π
Therefore
V=2π∫6π3πu21du
Hence
k=2π,a=6π,b=3π
(b)
解法一
思路
展开
承接 (a),只需要对 u−2 做代数积分:
∫u−2du=−u1
然后代入上下限 6π 和 3π。
答题过程
展开
From part (a),
V=2π∫6π3πu−2du
Integrate:
∫u−2du=−u−1=−u1
So
V=====2π[−u1]6π3π2π(−3π1+6π1)2π(−π3+π6)2π⋅π36
Therefore
V=6