MIT 18.01 · Problem Set 6

Problem Set 6:功、平均值与数值积分

围绕 Lecture 22–25:圆盘/柱壳体积、交流电 RMS、概率模型(含反常积分 \(\int e^{-at}dt\))、以及 Simpson 法则的证明与 Fresnel 积分数值近似。注意本作业在周四(退伍军人节后的 11 月 9 日)截止,比平时早一天。

类型:Problem Set 6(Part I + Part II) 截止:2006-11-09 12:55(周四) 覆盖:Lecture 23, 24, 25(Part I 含 Lecture 22)

学习目标


前置知识


结构说明

Part I 中 Lecture 25 的三角换元/直接换元部分在 Exam 3 后完成,其余部分应在考前做完以备考。


主题梳理与示例

2. 交流电 RMS(Part II/2)

电压 \(V(t)=C\sin(120\pi t)\),周期 \(T=1/60\) 秒。均方根:

\[V_{\text{RMS}}^2=\frac{1}{T}\int_0^T C^2\sin^2(120\pi t)\,dt=\frac{C^2}{T}\cdot\frac{T}{2}=\frac{C^2}{2}\]

用了 \(\sin^2\) 在一个周期内的平均值为 \(1/2\)。所以 \(V_{\text{RMS}}=C/\sqrt{2}\approx 0.707C\)。家庭用电标称 120V 就是 RMS 值,峰值约为 \(\pm 170\)V。

3. 放射性衰变概率(Part II/3)

「整体」反常积分:

\[W=\int_0^\infty e^{-at}\,dt=\lim_{N\to\infty}\frac{1-e^{-aN}}{a}=\frac1a\]

衰变发生在 \([0,T]\) 的概率为:

\[P([0,T])=\frac{1}{W}\int_0^T e^{-at}\,dt=\frac{1-e^{-aT}}{1}=1-e^{-aT}\]

半衰期 \(T_{1/2}\) 满足 \(P=1/2\):\(1-e^{-aT_{1/2}}=1/2\),解得 \(T_{1/2}=\frac{\ln 2}{a}\)。若 \(T_{1/2}=1\) 秒,则 \(a=\ln 2\)。

这里把「概率 = 部分/整体」与反常积分结合,是 18.01 把微积分应用于概率的标准范例。

4. Simpson 法则的证明(Part II/4)

取区间 \([x_0,x_2]\),中点 \(x_1=(x_0+x_2)/2\),半长 \(h=(x_2-x_0)/2\)。由对称性设 \(x_0=-h\)、\(x_1=0\)、\(x_2=h\)。设过 \((x_i,y_i)\) 的抛物线 \(y=Ax^2+Bx+C\):

5. Fresnel 积分的数值近似(Part II/5)

用 Simpson 法则(\(n=4\) 与 \(n=8\))估算 \(\int_0^{\pi/2}\cos(t^2)\,dt\)。精确值(5 位小数)为 1.22505。Simpson 法则对三次以下多项式精确,这里被积函数不是多项式,但 \(n=8\) 时误差已经很小。


常见坑


知识检查

问题 1:交流电压 \(V(t)=C\sin(120\pi t)\) 的 RMS 是?

问题 2:衰变概率 \(P=1-e^{-at}\) 的半衰期是?

问题 3:Simpson 法则在区间 \([x_0,x_2]\)(中点 \(x_1\))的公式是?


自测小结

RMS

峰值/\(\sqrt{2}\),来自 \(\sin^2\) 周期平均。

概率模型

反常积分归一化,半衰期 \(T_{1/2}=\ln 2/a\)。

Simpson 法则

\(h/3\) 乘 \((1,4,1)\) 权重,对三次以下精确。

数值近似

\(n\) 越大越精确,与精确值 1.22505 比较。


完整题目清单

共 11 道(组)中文题目。每题均包含完成作答所需的条件与子问;官方原文缺失时,会明确提供依据本地资料重建的题面或站内等价练习。全部作答条件均已在本页给出。

作答说明

  • 截止时间为 2006 年 11 月 9 日(星期四)下午 12:55(注意:由于退伍军人节假期,本次作业截止日为星期四,而非星期五;须于下午 1:05 上课前提交)。
  • 第一部分(22 分):逐题完成各讲所列的教材习题。
  • 第二部分(30 分):尝试独立求解每道题的每一小题。若与他人合作,仍须独立撰写解答。严禁参考以往学期的材料。
  • 第 0 题(3 分):写出你曾咨询或合作的所有人的姓名,以及你所使用的资源;若没有,请写「无」或「未咨询」。
  • 警告:尽管本次作业在考试 3 之后两天才截止,但除与第 25 讲相关的第一部分题目外,大部分题目需在星期二之前完成,作为备考考试 3 的过程。

覆盖范围

  • 圆盘法与柱壳法求体积
  • 功
  • 平均值
  • 概率
  • 数值积分
  • 三角积分
  • 直接换元法
  • 考试 3(第 18–24 讲)
  • RMS 电压
  • 广义积分
  • 半衰期
  • Simpson 法则
  • Fresnel 积分
题目 I.1 第 22 讲作业:圆盘法与柱壳法求体积 Volumes by disks and shells
站内等价练习可离线作答

以下是一组站内等价练习,用于替代原教材习题,覆盖圆盘法(disk method)与柱壳法(shell method)求旋转体体积的核心内容。

  1. 练习 1:求由 \(y = \sqrt{x}\)、\(y = 0\)、\(x = 4\) 所围成的区域绕 \(x\) 轴旋转所形成的立体体积。
  2. 练习 2:求由 \(y = x^2\)、\(y = 0\)、\(x = 1\) 所围成的区域绕 \(y\) 轴旋转所形成的立体体积。
  3. 练习 3:求由 \(y = x\)、\(y = x^2\) 及 \(x = 0\)、\(x = 1\) 所围成的区域绕 \(x\) 轴旋转所形成的立体体积,分别用圆盘法和柱壳法计算并比较。
  4. 练习 4:求由 \(y = x\)、\(y = x^2\) 所围成的区域绕 \(y\) 轴旋转所形成的立体体积,分别用柱壳法和圆盘法计算并比较。

公式与已知条件

  • 圆盘法(绕 \(x\) 轴):\(V = \pi \int_{a}^{b} (R(x))^2 \, dx\)
  • 圆盘法(绕 \(y\) 轴):\(V = \pi \int_{c}^{d} (R(y))^2 \, dy\)
  • 柱壳法(绕 \(y\) 轴):\(V = 2\pi \int_{a}^{b} x \cdot h(x) \, dx\)
  • 柱壳法(绕 \(x\) 轴):\(V = 2\pi \int_{c}^{d} y \cdot r(y) \, dy\)
解题入口

画出示意图,标出边界曲线与旋转轴;根据积分方向确定半径(或柱壳高度)的表达式,并正确写出积分上下限。

完成后检查

  • 确认半径非负,且积分限与交点横(纵)坐标一致
  • 对同一立体用两种方法计算,结果应相等
  • 柱壳法中检查半径与高度是否关于同一积分变量表示

原资料仅提供教材题号(4B-2e, 4B-2g, 4B-5, 4C-1a, 4C-2, 4C-3, 4J-3),未给出完整题面。此处依据第 22 讲主题(圆盘法与柱壳法求体积)设计的站内等价练习,非 MIT 官方原题。

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题目 I.2 第 23 讲作业:功、平均值、概率 Work · Average value · Probability
站内等价练习可离线作答

以下是一组站内等价练习,用于替代原教材习题,覆盖变力做功、函数平均值与几何概型(面积比)的核心内容。

  1. 练习 1(功):某弹簧的劲度系数 \(k = 200 \, \text{N/m}\),求将其从自然长度拉伸 \(0.1 \, \text{m}\) 所做的功。
  2. 练习 2(平均值):求函数 \(f(x) = 3x^2 - 2x + 1\) 在区间 \([0, 2]\) 上的平均值。
  3. 练习 3(概率):从区间 \([0, 1]\) 上均匀随机地取一个数 \(X\),求 \(X\) 落在 \([0.2, 0.6]\) 内的概率。
  4. 练习 4(概率):从单位正方形 \(0 \le x \le 1\)、\(0 \le y \le 1\) 内随机取一点,求该点落在曲线 \(y = x^2\) 上方(即 \(y > x^2\))的概率。

公式与已知条件

  • 功:\(W = \int_{a}^{b} F(x) \, dx\)
  • 函数平均值:\(f_{\text{avg}} = \frac{1}{b-a} \int_{a}^{b} f(x) \, dx\)
  • 几何概型:\(P = \text{有利区域面积} / \text{总区域面积}\)
  • 胡克定律:\(F(x) = kx\)
解题入口

根据物理情境或几何描述建立定积分表达式;先明确被积函数与积分区间,再计算。

完成后检查

  • 功的单位应为焦耳(J),平均值应与 \(f(x)\) 同量纲
  • 概率值应在 0 到 1 之间
  • 面积比问题可先画出区域,通过积分求面积再取比值

原资料仅提供教材题号(249/5, 249/6, 249/15, 4D-2, 4D-3, 4D-5),未给出完整题面。此处依据第 23 讲主题(功、平均值、概率)设计的站内等价练习,非 MIT 官方原题。

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题目 I.3 第 24 讲作业:数值积分 Numerical integration
站内等价练习可离线作答

以下是一组站内等价练习,用于替代原教材习题,覆盖梯形法则与 Simpson 法则近似计算定积分的核心内容。

  1. 练习 1:用梯形法则(\(n = 4\))近似计算 \(\int_{0}^{1} e^x \, dx\)。
  2. 练习 2:用 Simpson 法则(\(n = 4\))近似计算 \(\int_{0}^{1} e^x \, dx\)。
  3. 练习 3:用 Simpson 法则(\(n = 4\))近似计算 \(\int_{0}^{\pi} \sin(x) \, dx\),并估计使误差小于 \(0.001\) 所需的最少子区间数 \(n\)(\(n\) 为偶数)。

公式与已知条件

  • 梯形法则:\(\int_{a}^{b} f(x) \, dx \approx \frac{\Delta x}{2}[f(x_0) + 2f(x_1) + \cdots + 2f(x_{n-1}) + f(x_n)]\)
  • Simpson 法则:\(\int_{a}^{b} f(x) \, dx \approx \frac{\Delta x}{3}[f(x_0) + 4f(x_1) + 2f(x_2) + 4f(x_3) + \cdots + 4f(x_{n-1}) + f(x_n)]\)
  • \(\Delta x = (b - a)/n\),Simpson 法则要求 \(n\) 为偶数
解题入口

先计算子区间宽度 \(\Delta x\) 与各节点处的函数值,再按对应法则的权重系数求加权和。

完成后检查

  • 梯形法则权重为 1-2-2-...-2-1;Simpson 法则权重为 1-4-2-4-...-4-1
  • Simpson 法则的 \(n\) 必须为偶数
  • \(n\) 增大时近似值应更接近精确值

原资料仅提供教材题号(3G-1a, 3G-1d, 3G-4),未给出完整题面。此处依据第 24 讲主题(数值积分)设计的站内等价练习,非 MIT 官方原题。

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题目 I.4 第 25 讲作业:三角积分与直接换元法 Trigonometric integrals · Direct substitution
站内等价练习可离线作答

以下是一组站内等价练习,用于替代原教材习题,覆盖三角积分与直接换元法的核心内容。(考试 3 之后完成。)

  1. 练习 1:求 \(\int \sin^3(x) \cos^2(x) \, dx\)。
  2. 练习 2:求 \(\int \tan^3(x) \sec(x) \, dx\)。
  3. 练习 3:用换元法求 \(\int x\sqrt{x^2 + 1} \, dx\)。
  4. 练习 4:用换元法求 \(\int_{0}^{1} (2x + 1)^3 \, dx\)。

公式与已知条件

  • \(\sin^2(x) + \cos^2(x) = 1\)
  • \(\tan^2(x) = \sec^2(x) - 1\)
  • 换元法:\(\int f(g(x)) g'(x) \, dx = \int f(u) \, du\),其中 \(u = g(x)\)
解题入口

观察被积函数结构:三角积分类先利用三角恒等式化简,再视情况换元;换元积分类识别内层函数 \(u = g(x)\) 及其导数。

完成后检查

  • 三角积分完成后可利用恒等式化简或求导验证
  • 换元法完成后应代回原变量(定积分可直接换限)
  • 注意符号与系数,尤其是 \(\sec\) 与 \(\tan\) 的微分关系

原资料仅提供教材题号(5B-9, 5B-11, 5B-13, 5B-16, 5C-5, 5C-7, 5C-9, 5C-11),未给出完整题面。此处依据第 25 讲主题(三角积分、直接换元法)设计的站内等价练习,非 MIT 官方原题。

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题目 I.5 第 26 讲:考试 3 Exam covering lectures 18-24
官方题面翻译可离线作答

考试 3,时间 1:05–1:55,覆盖第 18–24 讲。

  1. 考试 3 覆盖第 18–24 讲

原资料包含完整题面,已翻译为中文。

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题目 0 合作与资源声明 Academic integrity
官方题面翻译可离线作答

写出你曾咨询或合作的所有人的姓名,以及你所使用的资源;若没有,请写「无」或「未咨询」。(完整说明见习题集 1。)

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题目 1 圆盘法与柱壳法求体积(站内等价练习) Volumes by disks and shells
站内等价练习可离线作答

以下是一组站内等价练习,覆盖圆盘法与柱壳法求旋转体体积的核心内容。

  1. 练习 1(3 分):求由 \(y = \sqrt{x}\)、\(y = 0\)、\(x = 0\)、\(x = 4\) 所围成的区域绕 \(x\) 轴旋转所形成的立体体积。
  2. 练习 2(4 分):求由 \(y = x\)、\(y = \sqrt{x}\)、\(x = 0\)、\(x = 1\) 所围成的区域绕 \(y\) 轴旋转所形成的立体体积,分别用柱壳法(对 \(x\) 积分)和圆盘法(对 \(y\) 积分)计算,并验证结果一致。

公式与已知条件

  • 圆盘法(绕 \(x\) 轴):\(V = \pi \int_{a}^{b} (R(x))^2 \, dx\)
  • 圆盘法(绕 \(y\) 轴):\(V = \pi \int_{c}^{d} (R(y))^2 \, dy\)
  • 柱壳法(绕 \(y\) 轴):\(V = 2\pi \int_{a}^{b} x \cdot h(x) \, dx\)
  • 柱壳法(绕 \(x\) 轴):\(V = 2\pi \int_{c}^{d} y \cdot r(y) \, dy\)
解题入口

画出示意图,标出边界曲线与旋转轴;根据积分方向确定半径(或柱壳高度)的表达式,并正确写出积分上下限。

完成后检查

  • 确认半径非负,且积分限与交点横(纵)坐标一致
  • 对同一立体用两种方法计算,结果应相等
  • 柱壳法中检查半径与高度是否关于同一积分变量表示

原资料仅提供教材题号(7.4/12, 7.4/13),未给出完整题面。此处依据第 22 讲主题(圆盘法与柱壳法求体积)设计的站内等价练习,非 MIT 官方原题。

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题目 2 家用交流电的 RMS 电压 Average value · RMS voltage · Periodic functions
官方题面翻译可离线作答

家用交流电的电压 \(V(t) = C \sin(120\pi t)\),其中 \(t\) 的单位为秒,\(C\) 为常数振幅。\(V(t)\) 在一个周期(即一个完整循环)上 \(V^2\) 的平均值的平方根称为均方根电压(root-mean-square voltage,简称 RMS)。家用电压表所显示的正是该值。对于家用交流电,试用常数 \(C\) 表示其 RMS 电压。(送至家庭的峰值电压为 \(\pm C\)。\(V^2\) 的单位为平方伏特;取平均值后再开方,单位恢复为伏特。)

公式与已知条件

  • \(V(t) = C \sin(120\pi t)\)
  • 峰值电压 = \(\pm C\)
  • 角频率 = \(120\pi \, \text{rad/s}\),周期 \(T = \frac{2\pi}{120\pi} = \frac{1}{60} \, \text{s}\)
  • \(\text{RMS} = \sqrt{\text{一个周期上 } V^2 \text{ 的平均值}}\)
  • 函数平均值:\(f_{\text{avg}} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} f(t) \, dt\)
解题入口

先写出 \(V^2 = C^2 \sin^2(120\pi t)\),在一个周期上求其平均值,再开方。利用三角恒等式化简 \(\sin^2\)。

完成后检查

  • RMS 的量纲应为伏特(V)
  • 结果应以 \(C\) 表示

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题目 3 概率与广义积分 Probability · Improper integrals · Half-life · Radioactive decay
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本题涉及几何概型(面积比)与广义积分。

  1. (1 分)在单位正方形 \(0 \le x \le 1\)、\(0 \le y \le 1\) 内随机取一点(概率等于面积),求 \(x^2 < y\) 的概率。
  2. (2 分)在正方形 \(0 \le x \le 2\)、\(0 \le y \le 2\) 内随机取一点(概率与面积成正比),求 \(x^2 < y\) 的概率。
  3. (1 分)计算 \(W = \int_{0}^{\infty} e^{-at} \, dt = \lim_{N\to\infty} \int_{0}^{N} e^{-at} \, dt\)。这是一个表示无界区域面积的广义积分。\(P([0,\infty)) = 1 = 100\%\)。
  4. (2 分)半衰期是使 \(P([0,T]) = 1/2\) 的时间 \(T\)。求使半衰期为 \(T = 1\) 的 \(a\) 与 \(W\) 的值。设一放射性粒子的半衰期为 1 秒,求它存活至 \(t = 1\)、但在 \(1 \le t \le 2\) 期间发生衰变的概率。(给出积分公式,并用计算器算出近似数值答案。)

公式与已知条件

  • 单位正方形:\(0 \le x \le 1\),\(0 \le y \le 1\)
  • 正方形:\(0 \le x \le 2\),\(0 \le y \le 2\)
  • \(W = \int_{0}^{\infty} e^{-at} \, dt = \lim_{N\to\infty} \int_{0}^{N} e^{-at} \, dt\)
  • \(P([0,T]) = \frac{1}{W} \int_{0}^{T} e^{-at} \, dt\)
  • \(P([0,\infty)) = 1\)
  • 半衰期条件:\(P([0,T]) = 1/2\),\(T = 1\)
解题入口

对 (a)(b),先画出区域并求满足不等式的面积,再除以总面积;对 (c) 计算广义积分;对 (d) 由半衰期条件建立方程求参数。

完成后检查

  • \(W\) 的积分在 \(a > 0\) 时收敛
  • 概率归一性:\(P([0,\infty)) = 1\)
  • 半衰期条件应给出 \(P([0,1]) = 1/2\)

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题目 4 Simpson 法则的证明 Simpson's rule · Numerical integration · Quadratic interpolation · Symmetry in integration
官方题面翻译可离线作答

Simpson 法则的基础是如下公式。设 \(x_1\) 为区间 \([x_0, x_2]\) 的中点,记其长度为 \(2h\)。任取三点 \((x_0, y_0)\)、\((x_1, y_1)\)、\((x_2, y_2)\),存在唯一的二次函数(抛物线)\(y = Ax^2 + Bx + C\) 的图像经过这三点。Simpson 法则断言:该抛物线在 \([x_0, x_2]\) 上的面积为 \(\frac{h}{3}(y_0 + 4y_1 + y_2)\)。本题证明该公式,并展示如何通过对称性与前瞻简化计算。由于平移不改变面积,可设 \(x_0 = -h\),\(x_1 = 0\),\(x_2 = h\)。

  1. 画出示意图,并确定 \(C\) 的值。
  2. 通过积分说明:为求面积,只需确定 \(A\)(或更简便地,确定 \(2Ah^2\))。
  3. 利用已知数据确定 \(2Ah^2\)。
  4. 综合上述结果,推导出面积公式 \(\frac{h}{3}(y_0 + 4y_1 + y_2)\)。

公式与已知条件

  • \(x_0 = -h\),\(x_1 = 0\),\(x_2 = h\)
  • 抛物线:\(y = Ax^2 + Bx + C\)
  • Simpson 法则面积公式:面积 = \(\frac{h}{3}(y_0 + 4y_1 + y_2)\)
解题入口

利用对称性:奇函数部分 \(Bx\) 在 \([-h, h]\) 上的积分为零,因此面积仅与 \(A\) 和 \(C\) 有关。先由数据确定 \(C\),再求 \(2Ah^2\),最后合并。

完成后检查

  • \(x_1 = 0\) 时,\(C = y_1\)
  • 面积公式对任意二次函数均精确成立
  • 可验证 \(2Ah^2\) 与 \(\frac{h}{3}(y_0 + 4y_1 + y_2)\) 中来自 \(C\) 的贡献之间的关系

原资料包含完整题面,已翻译为中文。

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题目 5 利用 Simpson 法则近似计算 Fresnel 积分 Fresnel integrals · Simpson's rule · Numerical integration
官方题面翻译可离线作答

使用计算器列出被积函数值表,并分别用 Simpson 法则在四个子区间和八个子区间下近似 Fresnel 积分 \(\int_{0}^{\pi/2} \cos(t^2) \, dt\)。(精确答案保留五位小数为 \(1.22505\)。请将近似值保留六位小数以便比较。)

  1. 用 Simpson 法则(四个子区间)计算近似值。
  2. 用 Simpson 法则(八个子区间)计算近似值。
  3. 将两个近似值保留六位小数,并与精确值 \(1.22505\) 进行比较。

公式与已知条件

  • Fresnel 积分:\(\int_{0}^{\pi/2} \cos(t^2) \, dt\)
  • Simpson 法则:\(\int_{a}^{b} f(t) \, dt \approx \frac{\Delta t}{3}[f(t_0) + 4f(t_1) + 2f(t_2) + 4f(t_3) + \cdots + 4f(t_{n-1}) + f(t_n)]\)
  • 精确答案(五位小数):\(1.22505\)
解题入口

在 \([0, \pi/2]\) 上分别取 \(n = 4\) 和 \(n = 8\),计算各节点处 \(\cos(t^2)\) 的值,按 Simpson 法则权重求加权和。

完成后检查

  • 八个子区间的近似值应比四个子区间更接近 \(1.22505\)
  • Simpson 法则的 \(n\) 必须为偶数

原资料包含完整题面,已翻译为中文。

来源:study_materials/1d7ae64272a135e4b8041a3cf5286534_ps6.pdf · 2

来源与改编说明

  • 来源说明:第一部分(I.1–I.4)原资料仅提供教材题号,未给出完整题面,已依据各讲主题设计站内等价练习,非 MIT 官方原题。
  • 来源说明:第 1 题原资料仅提供教材题号(7.4/12, 7.4/13),未给出完整题面,已依据第 22 讲主题设计站内等价练习,非 MIT 官方原题。
  • 来源说明:第 0、2、3、4、5 题原资料包含完整题面,已翻译为中文。

参考资料与资源