[Cambridge/1997] 使用换元 y=x3y = x^3 求下式的值:
∫02x21+x6 dx.\int_{0}^{2} \frac{x^2}{1 + x^6} \, dx.

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完整解法

Q5

1. Differentiate the given substitution to relate $dx$ and $dy$.

Let y=x3y = x^3.
dydx=3x2  ⟹  x2 dx=13 dy\frac{dy}{dx} = 3x^2 \implies x^2 \, dx = \frac{1}{3} \, dy

2. Determine the new limits of integration in terms of $y$.

When x=0x = 0, y=03=0y = 0^3 = 0.
When x=2x = 2, y=23=8y = 2^3 = 8.

3. Express the definite integral entirely in terms of $y$.

∫02x21+x6 dx=∫02x21+(x3)2 dx\int_{0}^{2} \frac{x^2}{1 + x^6} \, dx = \int_{0}^{2} \frac{x^2}{1 + (x^3)^2} \, dx
=∫0811+y2(13) dy= \int_{0}^{8} \frac{1}{1 + y^2} \left( \frac{1}{3} \right) \, dy
=13∫0811+y2 dy= \frac{1}{3} \int_{0}^{8} \frac{1}{1 + y^2} \, dy

4. Evaluate the definite integral using standard integration formulas.

=13[tan⁡−1y]08= \frac{1}{3} \left[ \tan^{-1} y \right]_{0}^{8}
=13(tan⁡−18−tan⁡−10)= \frac{1}{3} (\tan^{-1} 8 - \tan^{-1} 0)
=13tan⁡−18= \frac{1}{3} \tan^{-1} 8

答案

13tan⁡−18\frac{1}{3} \tan^{-1} 8

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