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2020年8月11日 星期二

國立臺灣大學一百零三學年度研究所碩士班入學考試試題:微積分(B)

  1. A cycloid can be parametrized by the functions x(θ)=(θsinθ), y(θ)=(1cosθ).
    1. Find dy/dx and d2y/dx2. (10%)
    2. Plot the cycloid curve. 0θ2π. (10%)
    3. Find the length of the cycloid arch. (10%)
    4. Find the surface area of the solid generated by revolving the cycloid arch about the x-axis. (10%)
  2. 訣竅運用連鎖律求參數曲線的斜率與凹性並據此繪圖,隨後透過曲線弧長公式以及旋轉體表面積計算。
    解法
    1. 利用連鎖律可知

      dydx=dy/dθdx/dθ=sinθ1cosθ, d2ydx2=ddxdydx=ddθ(sinθ1cosθ)dxdθ=cosθ1cosθsin2θ(1cosθ)21cosθ=cosθ1(1cosθ)3=1(1cosθ)2

    2. 描點繪圖如下
    3. 由曲線弧長公式可計算如下

      s=2π0(dxdθ)2+(dydθ)2dθ=2π0(1cosθ)2+(sinθ)2dθ=22π01+cosθ2dθ=22π0|cosθ2|dθ=4π0cosθ2dθ=8sinθ2|π0=8

    4. 由旋轉體體積公式可知

      V=2π02πy(θ)(dxdθ)2+(dydθ)2dθ=4π2π0(1cosθ)1+cosθ2dθ=8ππ0(1cosθ)cosθ2dθ=4ππ0(cosθ2cos3θ2)dθ=8π(sinθ213sin3θ2)|π0=32π3


  3. Calculate sin5xdx. (10%)
  4. 訣竅運用變數代換的概念求解即可。
    解法利用三角恆等式可改寫並計算所求的不定積分如下

    sin5xdx=(1cos2x)2sinxdx=(1+2cos2xcos4x)dcosx=cosx+2cos3x3cos5x5+C


  5. Test the convergence of the series 1k(1lnk)3/2. (10%)
  6. 訣竅由積分審歛法判斷即可。
    解法f(x)=1x(1lnx)3/2,容易注意到 f 恆正且遞減。又有

    2f(x)dx=2(lnx)1/2|2=2(ln2)1/2<

    因此由積分審歛法知其收斂。

  7. Minimize x2+y2 on the curve x4+7x2y2+y4=1. (10%)
  8. 訣竅運用拉格朗日乘子法求條件極值。本題與100學年度碩士班微積分(B)第五題雷同,惟本題改求最小值。
    解法設定拉格朗日乘子函數如下

    F(x,y,λ)=x2+y2+λ(x4+7x2y2+y41)

    據此解聯立方程組

    {Fx(x,y,λ)=2x+λ(4x3+14xy2)=0Fy(x,y,λ)=2y+λ(14x2y+4y3)=0Fλ(x,y,λ)=x4+7x2y2+y41=0

    第一式乘以 x 後減去第二式乘以 y 可知 x2y2+λ(2x42y4)=0,或因式分解為 (x2y2)[1+2λ(x2+y2)]=0
    • 假若 x2y2=0,則第三式可寫為 9x4=1,即得 x=±33,而 y=±33,故有四點座標為 ±(33,33)±(33,33)
    • 假若 2λ(x2+y2)=1,則 λ0,故有 x2+y2=12λ。又第一式乘以 x 加上第二式乘以 y 並搭配第三式便有 1λ+7λ=0,故得 λ=±77
    綜上考慮各種情形可以知道函數 x2+y2 的取值可能有 7223,因此最大值為 72,而最小值為 23

  9. Integrate h(x,y)=(x+2)yi+(2x+y)j over the indicated path y=x2 from (0,0) to (2,4). (10%)
  10. 訣竅利用參數化計算線積分即可。本題與102學年度碩士班微積分(B)第八題相同。
    解法利用參數化計算線積分可知

    Lhds=20[(t+2)t21+(2t+t2)2t]dt=20(3t3+6t2)dt=3t44+2t3|20=28


  11. Take Ω as the parallelogram bounded by xy=0, xy=π, x+2y=0, x+2y=π/2. Evaluate Ωsin(xy)cos(x+2y)dxdy. (10%)
  12. 訣竅運用變數變換求解,其中需留意 Jacobian 行列式的計算。
    解法{u=xyv=x+2y,那麼 Ω 的四條邊界可表示為 u=0u=πv=0v=π/2。又其對應的 Jacobian 行列式為

    |J|=||(x,y)(u,v)||=||(u,v)(x,y)||1=||uxuyvxvy||1=||1112||1=13

    如此所求之重積分可改寫並計算如下

    Ωsin(xy)cos(x+2y)dxdy=π0π/20sinucosv13dvdu=13(π0sinudu)(π/20cosvdv)=23


  13. Evaluate 101x201x2y201x2+y2+z2dzdydx. (10%)
  14. 訣竅運用球面座標變換計算即可。
    解法{x=ρcosθsinϕy=ρsinθsinϕz=ρcosϕ,那麼積分區域給出變數範圍為 {0ρ10θπ20ϕπ2。如此所求的三重積分可改寫並計算如下

    101x201x2y201x2+y2+z2dzdydx=π20π2010ρ2sinϕρ2dρdθdϕ=(π20sinϕdϕ)(π20dθ)(10dρ)=π2

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