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1 6. 反微分 例 求 f ( x) x 的反微分 解 : 吾人要求得其微分為 f ( x) x 為 x, 故得 F( x) x, 因 但下列亦為真 : 故 d dx ( x ) 的函數 F, 吾人已確知 x x d dx ( x x d dx x x d ) ( 4 ) dx ( x ) x 吾人說 f ( x) x d dx ( x C) x C 為任意常數 的反導函數為 的導函數 F( x) x C 49

2 例 計算積分 xdx 解 : 此處要對 x 作反微分 ( 或積分 ) 運算, 其實就是例 的問題, 只 是符號不同 故 xdx x C 其中, 常數 C 稱為積分常數 (constant of integration) 4 例 計算積分 xdx 解 : x xdx C x C 4 5 吾人先使用 n xdx 公式來積分, 再由積分的結果求導函數以作驗 算 : 5 d dx x 5 5x 4 C x 5 5 4

3 例 4 求 t dt t t 解 : t dt C C t 例 5 計算積分 x dx 解 : 將 x 寫成 x /, x dx / x 將被積分函數寫成 x 的乘冪得 再應用反微分公式得積分為 最後得 x / x / / dx C dx x dx x / C 或 x C 5

4 / 例 6 計算 ( x x ) dx 5/ / / x x / 解 : ( x x ) dx x dx x dx C x 5 x C 5/ 5 注意, 雖然是有兩個個別的積分, 但只要一個積分常數 ( C ), 因為兩 個常數的和也是常數, 故不需有兩個常數 例 7 計算積分 ( 4x x) dx 解 : ( 4x x) dx 4x dx xdx 4 x dx xdx x x 4x x 4 C C 5

5 例 8 計算積分 7dx 解 : 7dx 7x C 例 9 計算積分 dx 解 : dx dx x C 例 計算積分 5x 4 x 6 dx 解 : 5x dx 5x dx dx 6dx 5 x dx x dx 6dx x 4 x 5 5 5x x 5 6xC x 6xC 5 x

6 例 求 ( e x x) dx x x x x x 解 : ( e x) dx e dx xdx e xdx e C 例 求 t dt t 解 : t dt tdt t t dt t ln t C 例 計算 x x dx 解 : 可將被積分函數分成兩個分式再積分, 54 x x dx dx dx x dx x x C x x x x ln

7 例 4 計算下列的積分 : x x (a) e dx (b) e dx 解 : (a) e x x dx e C (d) 4e.. x (c) e dx x dx (b) e x x x dx e C e C (c) e. x x x dx e. C 5e. C... (d) e x dx e x dx e x C 4 ( ) e x C 4e x C. 55

8 6. 反微分的應用 例 若 f ( x) x x 及 f ( ) 4, 求 f ( x) 解 : f ( x) 可由 f ( x) 的反微分運算求得, 即 f ( x) ( x x ) dx f ( x) x x xc 接著應用 f ( ) 4 來求 C 值, 其中 f ( ) 4 表示當 x 時 f ( x) 4 在上式中代入 x 及 f ( x) 4 得 故 C 為 4 且函數為 4 C 4 C C 4 f ( x) x x x4 56 注意,C 值已定, 故此函數稱為 f ( x) 的特定反導函數

9 例 解 : 若某曲線的斜率為 x 且通過點 (, ), 求其方程式 因斜率為 x, 故可寫成 接下來 dy dx x y xdx 或 y x C 因曲線通過點 (, ), 表示當 x 時 y 在上式中代入 x 及 y 得 故曲線的方程式為 C 或 C y x 57

10 例 解 : 58 火箭飛行玩具火箭自地面以初速度 ft/sec 垂直向上發射, 若重力加速度為 ft / sec ( 負號表加速度是向下的 ), (a) 試求火箭發射 t 秒後的速度公式 (b) 試求火箭發射 t 秒後的位移公式 ( 從地面算起 ) (a) 由第三章已知加速度為速度的微分, 亦即 dv a dt 因加速度已知等於, 故 dv dt 以反微分得 v 為 v ( ) dt 或 v tc 利用初速度等於 ft/sec 的條件可求出 C, 此條件表示在 t 時 v, 將此條件 ( v( ) ) 代入 v t C 可得 故速度公式為 ( ) C 或 C v t

11 (b) 同樣的由第三章知速度為位移的微分, 亦即 又因 v t, 故 v ds dt 以反微分得 s 為 ds dt t s( t) dt 或 s6t tc 因火箭是由地面開始向上發射, 故在 t 時, s, 將此條件 (() s ) 代入 s6t tc 故位移公式為 可得 6( ) ( ) C 或 C s 6t t 59

12 例 4 學習實驗 為了測試學習能力, 某心理學家要人們記憶一長串的數字 假設記住 數字的速率為 dy dt t 54. e. 每分鐘的字數 其中 y 為記住之數字的數目, 又 t 為時間 ( 以分鐘計算 ) (a) 求為 t 之函數的 y, 即 t 分鐘後記住之數字的數目 (b) 5 分鐘後記住之數字為多少? 6

13 解 : (a) 由 以反微分得 y 為 dy dt 54. e. t t t t t y e. dt e. 54. dt e C 8e... C. 在開始時 ( t ), 記住之數字的數目為零 ( y ), 故 t 時 y, 可得.() 8e C 8() C C 8 記住之數字的數目 ( y ) 為 y 8 8e. t 6 此函數的圖形示於圖 6- 中

14 6 (b) 在 5 分鐘 ( t 5 ) 後, 記住之數字的數目為 y 8 8e.(5) e 8 8(. ) 在 5 分鐘後大約記住 4 個數字

15 6. 定積分 : 曲線下的面積 例 計算 f ( x i ) i 假設 f ( x) x, 而 x, x 及 x 7 解 : f ( xi ) f ( x) f ( x) f ( x) f ( ) f ( ) f ( 7) i

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23 例 求 f ( x)4 x x 軸 及垂直線 x 和 x 所界定之區域的近 似面積 (a) 以 n (b) 以 n 4 解 : (a) 若 n, 則 x b a n ( ) 其矩形示於圖 6. 中 近似的面積為 A f ( x ) x f ( x ) x f ( ) f ( ) ( 4 ) ( 4 ) 7 7

24 (b) 若 n 4, 則 x b a n ( ) 4 5. 其矩形示於圖 6. 中 近似的面積為 A f ( x ) x f ( x ) x f ( x ) x f ( x ) x 4 f ( 5.)(.) 5 f ( )(.) 5 f (.)(.) 5 5 f ()(.) 5 ( 75. )( 5. ) ( 4)( 5. ) ( 75. )( 5. ) ( )( 5. ) 75. 當 n 值愈大時, 近似值就愈接近正確 在下一節中會發現正確的 面積為 7 7

25 7 6.4 微積分基本定理

26 74

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29 例 用微積分的基本定理計算 xdx 解 : 因 f ( x) x 的反導函數為 F( x) x /, 故 x b xdx F x a 這是 [ ( )] ( ) ( ) 這是 Fb ( ) Fa ( ) 例 計算定積分 ( 5 x ) dx 4 5x 54 ( ) 解 : ( 5x) dx x 4 ( ) ( 4 ) ( ) ( ) ( ) 77 t 例 積分 ( e ) dt 解 : ( e t t ) dt [ t e ] ( e ) ( e ) ee

30 例 4 求曲線 y x 下由 x 至 x 4 的面積 解 : 圖 6.8 中的陰影面積為吾人所欲計算之面積 曲線 y f ( x) 下由 x a 至 x b 的面積為定積分 b a f ( x) dx 本例中, f ( x) x, a, b4 故 4 5 圖 6.8 y x 下由 x 至 x 4 的面積 78 y 4 4 面積 / / x / xdx x dx x / 4 / / 8 6 x 及 x 軸之間, 在區間 [, 4] 的面積等於 4/ 4 4 4

31 例 5 求曲線 y / x 下由 x 至 x 7 的面積 解 : x dx [ln x ] ln ln ln ln 79

32 6.5 定積分的應用 例 自由落體 一球自具相當高度的熱氣球落下, 若該球落下之速度為 v, 試求該球前 4 秒移動的距離 t ft / sec 解 : 已知 v t, 因 v ds dt s( t), 故 s() t t 球從 t 到 t 4 的位移為 s( 4) s( ), 或 4 s() t dt tdt [ 6t ] 56 ft 4 因距離等於位移的大小 ( 即位移的絕對值 ), 故球在前 4 秒移動的距離為 56 ft ( 若熱氣球高度低於 56 ft, 則球將在前 4 秒內撞擊到地 4 8 面 )

33 例 日本的石油消耗量 日本石油由 987 ( t ) 至 99 ( t 5 ) 的消耗速率為 c( t) 8. t 64. ( 以每年十億桶計算 ), 求 987 到 99 的石油總消耗量 ( 參見圖 6.) 解 : 函數 c( t) 8. t 64. 為消耗速率 dc / dt, 故消耗量 ct ( ) 為 c( t) 的 反導函數 由 987 至 99 的石油總消耗量可由以下的定積分求得 : c( t) dt ( 8. t 64. ) dt [ 4. t 64. t] ( 十億桶 ) 5 石油的總消耗量為 9. 9 億桶 5

34 例 求 f ( x)x 4x5 在區間 [, ] 的平均值 解 : 例 4 平均值為 動脈中的血液流動 ( x 4x5) dx ( x x ) dx [ x x x] [( 7 8 5) ( 5)] 6 血液在動脈中流動時並不是以相同的速度流動, 血液在血管中心區域的流動速度要比靠近管壁附近的流動速度快 事實上, 血液在距離血管中心 x 處的流動速度 v 可以表示成 x 的函數, 例如, 當血管半徑為. 公分, 則速度函數為 v 4 99x 其中 x 的單位為公分, 而速度的單位為公分 / 秒 請參閱圖 6., 8 並請求出血液在動脈流動的平均速度

35 解 : 因 f ( x) 在區間 [ a, b ] 的平均值為 f b a b a f ( x) dx 可知血液的平均速度 v 為 8. v x dx ( 4 99 ).. ( 4 99x ) dx 5[ 4xx ]. 5{[ 4(. ) ( )(. ) ] [( 4)( ) ( )( ) ]} 6. 8 cm /sec.

36 故血液在動脈中流動的平均速度為 6.8 cm/sec 其中必須注意的是 x 的區間為 [,.], 當 x 時代表血管的中心位置, x. 則代表 在血管的管壁, 若血管的半徑與本例不同, 則前述的速度函數 v 99x 也會不同 4 例 5 試問 f ( x) x 在區間 [, ] (a) 積分均值定理是否成立? (b) 若 (a) 的答案是肯定的, 試求 c 值 84

37 解 : (a) 因 f ( x) 為多項式函數, 對於 x R, f ( x) 均為連續, 故積分均 值定理成立 (b) 由積分均值定理 得 b f () c f () x dx b aa c c x dx x 7 7 因只有 在 (, ) 區間內, 故得 85 c

38 例 6 試問 f ( x) x 在區間 [, ] 積分均值定理是否成立? 解 : 因 f ( x) x 在 x 處 ( (, )) 不連續, 故知 f ( x) x 在區間 [, ] 積分均值定理不成立 例 7 若 f () t 為週期函數, 其週期為 4, 且 f () t 在第一週期內可表示成 f () t t t t t 4 86

39 f () t - 4 t 圖 6. f 的函數圖形如圖 6. (a) 求 f 在 [, 4] 的平均值 (b) 求 f 在 [, 4] 的均方根 87

40 解 : (a) 在 [, 4] 的平均值 f av 為 fav 4 4 f t dt t dt t dt 4 () 4 ( ) ( ) t t t 4 t ( ) ( ) ( ) ( ) 4 4 [ ( 4) ( 4)] 4 4 ( ) ( 4) ( ) ( ) 88

41 (b) f 在 [, 4] 的均方根 f rms 為 4 frms f t dt 4 [ ( )] / 4 t dt t dt 4 ( ) ( ) / 4 t t dt t t dt 4 ( ) 4 ( 9 6 ) t t t t t t / / 4 / / 8 8 / 89

42 例 8 一彈簧的原始長度為 5 英呎 設 4 英磅的力能使彈簧伸長 4 英呎 求 出要伸長彈簧需作多少功 : (a) 若由原始長度到長 7 英呎 (b) 若由 6 英呎到 8 英呎 解 : 我們必須先求出常數 k, 當 x 4 呎, 力為 4 磅, 則由虎克定律我們得 到 F kx 4磅 k 呎或 k 6磅 / 呎 4 即 f ( x) kx 6x (a) 彈簧由 x ( 沒有伸展 ) 至 x ( 由自然長度 5 呎到長 7 呎 ) W 6xdx 8x 呎 - 磅 (b) 彈簧由 x 伸長至 x 9 W 6xdx 8x 8( 9 ) 64 呎 - 磅

43 例 9 一高為. 公尺半徑為 6. 公尺的圓柱水槽蓄滿了水, 求將水抽至 離槽頂 5. 公尺處所需作的功 解 : 因為是鉛直運動, 所以我們沿水槽邊緣分割 ( 如圖 6.) 而得厚度為 dy 的代表性元件 這水槽被分割為許多小圓柱體, 而代表性圓柱體 的體積為 ( 6) dy 6dy 若水的密度為 公斤 / 公尺, 則每一 立方公尺的水重, 牛頓, 因此每一小圓柱體重為, ( 6dy) 9

44 參考圖 6. 中的座標系, 將每一小圓柱體移至槽上 5 公尺之距離為 5 y 公尺, 所以所作的功為, ( 6dy)( 5 y) 我們將對所有小 圓柱體所作的功加起來可得總功, 即由 y 至 y 積分 : W, ( 6)( 5 y) dy 6, ( 5 y) dy 6, 5y y 焦耳 例 有一半徑為.5 公尺, 高為 7. 公尺的圓錐槽 ( 頂點向下 ) 若此圓 錐槽注滿水, 求將水由上方抽出所作的功 9

45 解 : 我們將水槽細分為厚度為 dy 的小圓柱體 ( 圖 6.4), 當圓柱體的大 小改變時, 主要的問題是如何以 y 來表示半徑 x 為了這個目的, 我 們觀察圖 6.4 中的座標系, 右邊的直線斜率為 m 7 5. 所以直線的方程式為 y x 9

46 現在我們可以得下列各結果 :. 小圓柱體的半徑 : x 5. y. 小圓柱體的體積 : (. 5y) dy. 小圓柱體的重量 :[ (. 5y) dy],, 牛頓 / 立方公尺 每一個小圓柱體移動距離為 7 y, 所以所作的功為 [ ( 5. y) dy]( 7 y) 自 y 至 y 7 積分, 可得總功 : 94 W (. 5y)( 7 y) dy (.) 5 y ( 7 y) dy y 7 (.) 5 y , 57, 45 焦耳 7 7

47 平面區域面積

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49 例 試求在曲線 y x 與 y x 間, 由 x 至 x 之區域面積 解 : 該二函數之圖形及所要的區域如圖 6. 所示 很明顯的, y x 為較大的函數 ( 位於上方的曲線 ), 故令 f ( x) x 及 gx ( ) x, 則 b 面積 [ f ( x) g( x)] dx [( x ) ( x )] dx a x x ( x x) dx x

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51 例 試求由曲線 y x 及 y x 所圍成之區域面積 解 : 本例並未給定 a 及 b, 但這兩條曲線相交並形成一封閉區域, 因此 由曲線交點的 x 座標, 即可得 a 與 b 的值, 關於這一點, 可由圖 形輕易地獲得理解 在圖 6. 中陰影部份即為吾人所要的區域 由圖 6. 可觀察到 (a) y x 為較大的函數 ( 位於上方的曲線 ), 故令 f ( x) x 及 gx ( ) x (b) 曲線 y x 與 y x 的交點為 (, ) 及 (, 4), 故積分之極限 為 a 及 b 99

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53 (c) 陰影部份之面積為 [( x) ( x )] dx ( xx ) dx x x 4 (d) 在本例中, 交點 (, ) 及 (, 4) 同時在 y x 與 y x 之圖形 上, 故可由下列聯立方程式求得 y y x x 利用代入消去法得 x x x x xx ( ) x, x 當 x 時 y, 而當 x 時, y 4, 故得到上述之交點 (, ) 及 (, 4)

54 例 試求由 y x 4x 與 x 軸所圍成之區域面積 解 : 本例與前述例題略有不同, 此因函數 y x 4x 的圖形部份係落 在 x 軸之下方, 圖 6. 中陰影部份即為吾人所要的區域 由圖 6. 中可以發現吾人所求的面積範圍是從 x 到 x, 但因 x 軸 ( y ) 在該區間為較大的函數, 故令 f ( x) 及 gx ( ) x 4x, 吾人可得

55 面積 [( ) ( x 4x)] dx ( x 4x) dx x x x 4 在本例中的積分上下限 ( x 及 x ) 可由代數方法求得, 亦即由聯立 y x 4x 與 y, 可得方程式 x 4x, 解之得 x 及 x 例 4 試求在 y x 4 與 x 軸間由 x 至 x 4 之區域面積 解 : 若吾人未繪出函數圖形而直接以下式求面積, 將得到錯誤的答案, ( x 4) dx 9 錯誤! 4

56 4

57 在圖 6.4 中, 陰影部份為吾人所要的區域 從圖 6.4 中可以很明顯 的看出來, 利用上式計算出來的面積是錯的, 因為該區域的面積是兩 部份面積的和, 第一部份 ( f ( x), g( x) x 4) 由 x 至 x, 第二部份 ( f ( x) x 4, g( x) ) 由 x 到 x 4, 故 面積 [ ( x 4)] dx [( x 4) ] dx ( 4 x ) dx ( x 4) dx 4x x x x

58 例 5 試求由 y x 與 y x 所圍成區域之面積 解 : 圖 6.5 中陰影部份為吾人所要的區域 該區域實際上包括兩部份, 左邊部份 x 由 至, 且 y x 為較 大函數, 而右邊部份, x 由 至, 且 y x 為較大函數, 故 6

59 面積 [( x ) ( x)] dx [( x) ( x )] dx ( x x) dx ( x x ) dx 4 x x x x ( ) ( ) 4 4 同樣地, y x 與 y x 的交點可由下列聯立方程式求解, y x y x 利用代入消去法得 x x, 整理成 x x 或 xx ( ), 解之得 x, x 及 x 7

60 8 6.7 旋轉體體積

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64 例 體積 試求由 y x, x 軸, x 及 x 所界定的區域繞 x 軸旋轉所 形成之旋轉體體積 解 : 由 y x, x 軸, x 及 x 所界定的區域如圖 6.4 所示, 該 區域繞 x 軸旋轉所形成之旋轉體體積為 b x V y dx x dx xdx a [ ] 9 4 故該旋轉體體積為 4 立方單位

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66 例 體積 試求由 y x,y 軸, y 及 y 所界定之區域繞 y 軸旋轉所成之 旋轉體體積 解 : 由 y x,y 軸, y 及 y 所界定之區域如圖 6.4 所示, 該區 域繞 y 軸旋轉所形成之旋轉體體積為 V x dy y dy c d 4 y 故該旋轉體體積為 5 立方單位 在本例中,x dy 為微小圓柱體之 體積, x y 為半徑,dy 為厚度 4

67 y y y x dy x y x x 圖 6.4 平面區域及對應之旋轉體 ( 繞 y 軸旋轉 ) 5

68 6

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71 例 體積 試求由 y x,x 軸, x 及 x 所界定的區域繞 y 軸旋轉所形 成之旋轉體體積 解 : 由 y x, x 及 x 所界定的區域如圖 6.47 所示, 該區域繞 y 軸旋轉所形成之旋轉體體積為 / V x x dx x dx x x x ( ) 故該旋轉體體積為 4 ( 9 ) 立方單位 5 9

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73 例 4 體積試求由 y x,x 軸,y 軸所界定之區域繞 x 軸旋轉所形成之旋轉 體體積 解 : 由 y x,x 軸,y 軸所界定之區域如圖 6.48 所示, 該區域繞 x 軸旋轉所形成之旋轉體為一圓錐體, 如圖 6.48 所示, 此圓錐體之體積為 V yxdy y( y) dy c d y y ( y y ) dy 6 故該旋轉體體積為 立方單位 在本例中, yxdy 為一微小圓殼體之體積, y 為圓殼體之圓周長, x 為高度, dy 為厚度

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75 例 5 體積 試求 y x 及 y x 所圍成之區域 ( 如圖 6.49 (a) ) 繞 x 軸旋轉所形成之旋轉體體積 解 : (a) 採用圓柱體法 ( 參閱圖 6.49 (b) ): b V ( y y ) dx [( x) ( x ) ] dx a 5 4 x x ( x x ) dx (b) 採用圓殼法 ( 參閱圖 6.49 (c) ): V y( x x ) dy y( y y) dy c d y y y dy 5 ( ) y 5 5 ( 立方單位 ) 5 ( 立方單位 )

76 4

77 6.8 質心 例 求如圖具有均勻密度 之薄板的質心 5

78 解 : 首先我們將薄板分割成 I II III 三個矩形, 如圖 6.5 個別的重心 位置為 (, ),(, ) 和 (, ) 令 為密度 ( 質量 / 單位面積 ), 因薄板的重量與面積成正比, 則每單位面積的重量為 g 如果矩形 面積分別為, 8,, 則相對的重量為 g, 8g, g 而質心位置 ( x, y ) 的兩個座標可以分別求得 注意個別重心的 x 座標為, 和, 則我們可得 x [ g ( ) ( 8) ( )] ( 8 ) g 5 相同地, 個別重心的 y 座標為, 和, 我們得到 y [ ( ) ( 8) ( )( )] g g 9 6

79 7

80 8

81 例 求出由 y 4 x 及座標軸所圍成區域的質心座標 ( 圖 6.55) 解 : 為了求出 x, 我們確定代表性長方形對 y 軸的力矩為 x ydx x( 4 x) dx [ 力臂 面積 ] 由 x 至 x 積分, 可得 因此 My x( 4x) dx x M A y x( 4 x) dx ( 4 xdx )

82 為了求出 y, 我們先求代表性長方形對 x 軸所產生的力矩, 由圖 6.56 y ydx ( 4 x )( 4 x ) dx [ 力臂 面積 ] 由 x 至 x 積分, 可得 將其代入, 則 y Mx ( x x dx 4 )( 4 ) x x dx M ( x 4 )( 4 ) A 4 ( 6 6x4x ) dx 我們也可將代表性長方形置於水平位置求出 y ( 圖 6.57) 代表性長方 形對 x 軸的力矩可被表示為

83 yxdy y y dy ( 4 ) [ 力臂面積 ] 因積分在 y 軸上的上下限為自 y 至 y 4, 可得 y M A x 4 y ( y dy 4 ) 4 4

84 例 求 y 4x 和 y 8 x 所圍成區域的質心 解 : 由圖 6.58, 求 x x M A y x( 8x 4x ) dx ( 8x 4x ) dx 6 6 由圖 6.59, 求 y y M A x 6 y( y y) dy 8 A

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86 例 4 求出由 x y 及 y x 4 在第一象限所圍成區域的質心 圖 6.6 解 : 在求解已知聯立方程式後, 可知兩曲線在第一象限的交點座標為 (4, 8) 厚度為 dx 的代表性長方形有 ( x ) 4 x 的長度, 而力臂長為 x 我們將在 [, 4] 區間內的力矩相加起來得到 4

87 5 My x[( x4) x ] dx x( x x4) dx ( x x 4x) dx 計算 M x 需要多注意一些 : 因有 x 軸圍在下方所形成之區域的代表性 長方形的質心為 ( x, y) 而這問題中的區域是由兩個方程式所圍 成, 則代表性長方形之質心的 y 座標是此長方形上下兩端縱座標的算術平均數, 也就是 ( x4) x 因此代表性長方形對 x 軸的力矩是 [( x4) x ][( x4) x ] dx [( x ) ( x ) ] dx x x x

88 累加後, 可得 Mx ( 4 x x 4x 8 ) dx 面積 A 可以很容易求得 因此 A ( x x4 ) dx 4 4 x M y 64 A 和 y M x 76 A

89 7

90 例 5 求出由 y 4 x 與座標軸所圍成在第一象限部份的區域對 x 軸旋轉 所得旋轉體的質心 ( 圖 6.6) 8

91 解 : 代表性圓柱體的體積為 而對 y 軸所產生的力矩為 由 x 積分到 x 可得 ( 半徑 ) ( 厚度 ) ( 4 x ) dx x( 4 x ) dx x( 4 x ) dx 因為 My x( 4 x ) dx 故 V ( 4 x ) dx 由於對稱性, y x M y 5 V

92 4

93 4 6.9 慣性矩

94 例 圖 6.65 中, 假設 m 5kg, m kg, d 5m 及 d 8 m 若系統繞 著通過 O 點的軸以 4 rad/s 的角速度旋轉, 求系統動能 解 : 可求得慣性矩為 I kg m 於是 K I ( 765)( 4) 6 焦耳 4

95 例 求由 y x, x 和 x 軸所圍成區域 ( 圖 6.67) 的 I y 4 5 解 : 當長方形的高度為 y 時, 我們得到代表性長方形對 y 軸旋轉的慣性矩 為 由 x 積分至 x, 我們得到 x 質量 x ( ydx) 4 Iy x ydx x x dx x 6 6 6

96 例 求由 y x 和 y x 所圍成區域 ( 如圖 6.68) 對 x 軸的迴旋半徑 44

97 解 : 45 因我們要求對 x 軸的慣性矩, 故我們必須水平地畫出代表性長方形 解所給方程組的 x 我們得到有 x y 和 x y 所以代表長方形的質 量為 ( y y) dy 而其對 x 軸的慣性矩 y ( y y) dy y ( y y) dy, 由 y 積分至 y 9, 可得 I x 9 y y y dy y y dy 9 5 / 7 / 4 7 y y / / 7 ( ) ( ) 7 87 ( ) 又區域面積為 A ( x x ) 9 dx 所以質量 M 為 9 /, 因此 R x 9 / / I x M

98 例 4 求出半徑為 r, 高度為 h 的正圓錐對其中心軸的慣性矩 解 : 圓錐可藉由曲線 y ( h/ r) x, y h 和 y 軸所圍成區域 ( 圖 6.69) 繞 y 軸旋轉而產生 依 6.7 節之圓殼法, 我們可以得知代表性圓殼體的質量為 ( 半徑 ) ( 高度 ) ( 厚度 ) xh hx r dx 46

99 因與 y 軸的距離為 x, 將上式乘以 x 可得代表性圓殼體的慣性矩為 x xh hx r dx 由 x 積分到 x r, 可得 r hx r Iy x xh dx x h r hx r dx hr 4 我們同時知道圓錐體積為 V r h, 且圓錐的質量 M 為 rh 所以 R y I y M / 4 / hr hr 4 / rh rh r 47

100 例 5 若例 4 中的圓錐具有質量. kg, 半徑為. m, 且以 rev/min 對其軸旋轉, 求其動能 K 和角動量 L 解 : 首先我們必須先將轉速轉換成每秒多少弳 (rad/sec): rev min rad min rev 6 s 4 rad s 我們現在知道 K I ( mr ) (.. )( 4 ) 95. 焦耳 以及 L I ( mr ) (.. )( 4 ) 5kg. m /s 48

101 6. 微分方程式 例 請證明 y x 為下列微分方程式的一個解 xy y 解 : 若 y x 滿足 xy y, 則 y x 為該微分方程式之解, 換句話 說, 以 y x 及 y x 代入 xy y, 若等號成立, 則 y x 為 xy y 的一個解 現由 xy y 將 y x 及 y x 代入等號之左右兩邊 得 x y xx x 及 y x 因 x x 49 等號成立, 故 y x 為 xy y 的一個解

102 5 7

103 例 請解微分方程式 y 4x 解 : 因未知函數 y 的導函數為 4x, 故 y 可由 4x 求其反微分而求 得 亦即因 故 dy dx 4x y ( 4 x ) dx x xc 此微分方程式之通解為 y x xc 5

104 例 求下列微分方程式之特解 y x 8, y( ) 6 解 : 先以反微分求通解 y x 8 y 4x 8xC ( 通解 ) 因 y( ) 6, 故 64() 8() C 或 648C 即 C, 代入通解中, 得特解為 y 4x 8x ( 特解 ) 5

105 例 4 請解微分方程式 dy dx x y 解 : 在此題中, 等式右邊因同時存在有 x 及 y, 故無法直接以反微分求 解, 而必須將變數 x 及 y 加以分離, 寫成微分形式, 即 接著, 直接對等號兩邊積分 : ydy xdx ydy 4 xdx y x C ( 通解 ) 4 5

106 例 5 解 : 細菌成長假設細菌在培養皿的成長速率為每小時 % 若 A 表示細菌在任何時間 t 之數量, 則 A 對 t 之變化率等於. 乘上 A, 或 da dt 為解出 A, 將上式改寫成微分形式 da. Adt da. dt A da dt A. ln A. t C 將上式取自然指數, 得 A. ln A. t C 因為 A.t C A e e 分離變數 積分 54 因 e 及 C 均為常數, 故 e C 亦為一常數 C, 則上式可寫成 A Ce.t

107 6. 機率 7 55

108 56 例 若 f ( x) x, 其中 x [, 4] (a) 證明 f 為一個機率密度函數 (b) 求 p( x ) 解 : (a) 我們必須證明 f 滿足下面兩個條件 :. f ( x), x[, 4]. f ( x) dx 4 首先, 因對於所有的 x[, 4], x, 故 f ( x), 第一個條件滿足 接著, 因 4 f ( x) dx 4 x x dx 4 x [ ] 第二個條件亦滿足, 故 f 為一個機率密度函數 (b) p( x ) x dx x ( ) x, 亦即 9 故 p( x). 6 6

109 例 燈泡壽命 假設燈泡使用壽命 (x 小時 ) 之機率密度函數為. x f ( x). e x (a) 證明 f 為一機率密度函數 (b) 求燈泡壽命小於等於 小時之機率 (c) 求燈泡壽命落在 小時到 4 小時間之機率 57

110 解 : (a) 因對於任意實數 u, e u, 故對於 x,. x f ( x). e 第一個條件滿足 接著, 對於 x,. x. x. e dx. lim e dx b lim[ e ] b. x b.b.b lim e.b lim[ e ] lim[ e e ] b b b b 第二個條件亦滿足, 故 f 為一個機率密度函數. x (b) p( x) f ( x) dx. e dx 58. x.6.6 [ e ] [ e e ] ( e )

111 4. x (c) p( x4) f ( x) dx. e dx 4. x 4.8. [ e ] [ e e ]

112 例 函數 f ( x) 4x 定義在區間 [, 5], 此函數並非機率密度函數, 請求 出一個常數, 使 f 乘上該常數後成為一個機率密度函數 解 : 對於 x [, 5], f ( x) 4x, 故第一個條件滿足, 但 5 5 4x f ( x) dx 4x dx 56 5 故 f 不是一個機率密度函數, 現令 x g( x) f ( x) x 則對於 x x [, 5], g( x) 9, 又 5 5 x x g( x) dx dx ( ) 故 g( x) f ( x) 56 為一個機率密度函數

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