刷题-定积分

61

求 ∫−π2π2exsin2⁡x1+exdx.


注意到分母为:11+ax 的变形,考虑使用区间再现公式,我们暂时省略积分上下限符号:

I=12∫[f(x)+f(−x)]dx=12∫[11+e−x+11+ex]⋅sin2⁡xdx=12∫−π2π2sin2⁡xdx=π4
注意

注意联想到公式:
11+x+11+1x=1

62

求 ∫01ln⁡(1−x+x2)arcsin⁡xdx。


联想到公式:

arcsin⁡x+arcsin⁡1−x2=π2,(0<x<1)

故而考虑使用区间再现公式:

I=12∫[f(x)+f(1−x)]dx=12∫[ln⁡(1−x+x2)⋅arcsin⁡x+ln⁡(1−x+x2)⋅arcsin⁡1−x]dx=π4∫ln⁡(1−x+x2)dx=π4[xln⁡(1−x+x2)−∫2x2−xx2−x+1dx]=π4[xln⁡(1−x+x2)−2x−∫x−1x2−x+1dx]

接着再使用分部积分解有理函数积分即可得出答案,我们构造:

x−1x2−x+1=12⋅[ln⁡(x2−x+1)]′+−1+12x2−x+1∫x−1x2−x+1dx=12ln⁡(x2−x+1)−12∫1x2−x+1dx

接下来我们就可以通过三角代换求出最终答案。

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求 ∫−ππxsin⁡xarctan⁡ex1+cos2⁡xdx。


看到积分中的 arctan⁡ex,联想到公式 arctan⁡x+arctan⁡1x=π2,(x>0),又因为其余部分为偶函数,故而做区间再现:

I=12∫[f(x)+f(−x)]dx=12∫[arctan⁡ex+arctan⁡e−x]⋅xsin⁡x1+cos2⁡xdx=π4∫−ππxsin⁡x1+cos2⁡xdx=π2∫0πxsin⁡x1+cos2⁡xdx

我们想要消去 x ,故而可以考虑再次使用区间再现公式:

I=π4∫[xsin⁡x1+cos2⁡x+(π−x)sin⁡x1+cos2⁡x]dx=π24∫0πsin⁡x1+cos2⁡xdx=π24

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求 ∫02xex+e2−xdx。


注意到分母出现了 f(x)+f(a+b−x) 的形式,又有分子为 x 这个矛盾因子,故而肯定是使用区间再现公式消去:

I=12∫[xex+e2−x+2−xex+e2−x]dx=∫1ex+e2−xdx=∫exe2x+e2dx=t=ex∫1e21t2+e2dx

于是答案就显而易见了。

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求 ∫0πxsin3⁡x1+cos2⁡xdx。


我们要消去 x ,并且注意到 sin⁡x 关于 x=π2 对称,故而使用区间再现:

I=12∫[xsin3⁡x1+cos2⁡x+(π−x)sin3⁡x1+cos2⁡x]dx=π2∫sin3⁡x1+cos2⁡xdx=−π2∫1−cos2⁡x1+cos2⁡xdcos⁡x

接下来答案就显而易见了。

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求 ∫0nπx∣sin⁡x∣dx。


没有什么好的办法求出原函数(也可以考虑使用符号积分的方法),考虑使用区间再现:

I=12∫[x∣sin⁡x∣+(nπ−x)∣sin⁡(nπ−x)∣]dx=nπ2∫∣sin⁡x∣dx=nπ2⋅2⋅n=n2π

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求 ∫0π2ln⁡sin⁡xdx。


最开始的想法一定是分部积分:

I=xln⁡sin⁡x−∫x⋅cos⁡xsin⁡xdx

但是问题是,我们无法消去 x,哪怕是通过区间再现。故而,我们可以直接考虑使用区间再现公式:

I=12∫[ln⁡sin⁡x+ln⁡sin⁡(π2−x)]dx=12∫ln⁡(12sin⁡2x)dx=12∫ln⁡12dx+12∫ln⁡sin⁡2xdx

现在就是要求 ∫0π2ln⁡sin⁡2xdx。为了方便,我们设 t=2x,则有 ∫0π2ln⁡sin⁡2xdx=12∫0πln⁡sin⁡tdt。设 J=∫0πln⁡sin⁡xdx,则我们可以通过分部积分进一步计算:

J=xln⁡sin⁡x−∫0πx⋅cos⁡xsin⁡xdx

我们会发现分部积分还是没有效果,我们就要发掘,ln⁡sin⁡x 的其他性质,我们可以发现,ln⁡sin⁡x 关于 x=π2 对称,故而有:

∫0π2ln⁡sin⁡xdx=∫π2πln⁡sin⁡xdx⟹J=2I

故而有:

I=−πln⁡24+12I⟹I=−π2⋅ln⁡2

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求 I=∫0+∞arctan⁡x3x2+1dx。


注意到分母有 1+x2,故而使用倒代换:

I=12∫0+∞[arctan⁡x3x2+1+1x2⋅x2arctan⁡1x31+x2]dx=π4∫0+∞11+x2dx=π28

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求 I=∫0+∞ln⁡xx2+a2dx。


很明显不能求原函数,又注意到分母为 1+x2 的变形,故而先将变换为 1+x2:

I=∫0+∞ln⁡x(xa)2+1dx=t=xaa∫0+∞ln⁡a+ln⁡tt2+1dx

故而有:

I=a∫0+∞ln⁡tt2+1dx+aln⁡a⋅π2

然后我们再对 ln⁡tt2+1 进行倒代换:

I=a2∫0+∞[ln⁡tt2+1+1t2⋅t2ln⁡(1t)1+t2]dx+aln⁡a⋅π2=aln⁡a⋅π2

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设 f(x) 为连续函数,a,b 为常数且 a2+b2≠0,若 ∫02πf(asin⁡x+bcos⁡x)dx=A∫−π2π2f(a2+b2sin⁡x)dx,求 A。


很明显,我们需要将左式尝试变换到右式,需要使用和角公式进行变换:

f(asin⁡x+bcos⁡x)=f(a2+b2(aa2+b2sin⁡x+ba2+b2cos⁡x))

设 aa2+b2=cos⁡θ,ba2+b2=sin⁡θ,则有:

f(asin⁡x+bcos⁡x)=f(a2+b2sin⁡(x+θ))

我们通过函数平移操作来统一被积函数的形式:

∫02πf(a2+b2sin⁡(x+θ))dx=∫θ2π+θf(a2+b2sin⁡x)dx

又由于被积函数的内层函数,周期为 2π,故而有:

∫θ2π+θf(a2+b2sin⁡x)dx=∫02πf(a2+b2sin⁡x)dx=∫−π23π2f(a2+b2sin⁡x)dx

可以发现我们只需要将区间分开,就可以得到原式:

∫−π23π2f(a2+b2sin⁡x)dx=∫−π2π2f(a2+b2sin⁡x)dx+∫π23π2f(a2+b2sin⁡x)dx

根据 sin⁡x 的图像可知,其在 x∈(−π2,3π2) 上关于 x=π2 对称,所以右式两个积分实际上是相等的。故而有:

∫02πf(asin⁡x+bcos⁡x)dx=2∫−π2π2f(a2+b2sin⁡x)dx

故而,A=2。

72

已知 ∫01dx∫−π2π2xf(sin⁡y)dy=1,求 ∫02πf(cos⁡x)dx。


直接将这个二重积分解开,得到:

∫−π2π2f(sin⁡x)dx=2

我们尝试将待求积分表示为已知条件的形式,先将 cos 转化为 sin,由于 cos⁡(π2−x)=sin⁡x,故而设 t=π2−x:

∫02πf(cos⁡x)dx=∫−3π2π2f(sin⁡x)dx=∫−3π2−π2f(sin⁡x)dx+∫−π2π2f(sin⁡x)dx

由于内层函数关于 x=−π2 对称,故而右式两个积分相等,即:

∫02πf(cos⁡x)dx=2∫−π2π2f(sin⁡x)dx=4

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设 f(x)=∫1xe−t2dt,求 ∫01f(x)xdx。


注意到, f′(x) 的形式便于求积分,故而通过分部积分法,通过变上限积分的求导公式,得到 f′(x)=e−x2x,故而有:

∫01f(x)xdx=2xf(x)∣01−∫012xe−x2xdx=e−e

74

设 y′(x)=arctan⁡(x−1)2,且 y(0)=0,求 ∫01y(x)dx。


我们使用分部积分对被积函数进行降次:

∫01y(x)dx=xy(x)∣01−∫01xy′(x)dx=y(1)−…

发现,出现了 y(1) 这个无法求出的量,我们发现之所以消不去是因为,代入 1 的时候 x 不为 0 ,故而我们对分部积分法进行改造:

∫01y(x)dx=∫01y(x)d(x−1)=(x−1)y(x)∣01−∫01(x−1)y′(x)dx

于是,我们就可以求出最终答案了:

∫01(x−1)arctan⁡(x−1)2dx=u=(x−1)2−12∫01arctan⁡udu=−12[xarctan⁡x∣01−∫01x1+x2dx]=14ln⁡2

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已知 ∫0π[f(x)+f″(x)]sin⁡xdx=5,且 f(π)=2,求 f(0)。


先将两个未知函数形式分开:

I=∫0πf(x)sin⁡xdx+∫0πf″(x)sin⁡xdx=5

利用表格积分法对积分 ∫0πf″(x)sin⁡xdx:

导数 sin⁡x cos⁡x −sin⁡x
积分 f″(x) f′(x) f(x)
可以得到:
∫0πf″(x)sin⁡xdx=sin⁡xf′(x)−cos⁡xf(x)−∫0πf(x)sin⁡xdx

从而得到:

I=∫0πf(x)sin⁡xdx−∫0πf(x)sin⁡xdx−cos⁡xf(x)∣0π⟹f(0)=3

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求曲线 y=e−xsin⁡x(x>0) 与 x 轴之间的面积。(2019)


求面积就是求积分 ∫0∞e−x∣sin⁡x∣dx。我们根据 sin⁡x 的正负进行分类讨论,从而对整个积分区间进行划分,这里我们为了划分方便,我们将 ∣sin⁡x∣ 改写为 (−1)ksin⁡x,故而有:

I=∑k=0n(−1)k∫kπ(k+1)πsin⁡x⋅e−xdx∫kπ(k+1)πsin⁡x⋅e−xdx=12[e−(k+1)π+e−kπ](−1)k

由等比数列的累加和公式得:

∑k=0ne−kπ=1⋅1−e−nπ1−e−π,∑k=0ne−(k+1)π=e−π⋅1−e−nπ1−e−π

故而最后的答案就显而易见了。

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求函数 f(t)=∫−11∣x−t∣e2xdx,(|t|≤1) 的最大值。


要想去掉绝对值,就要讨论 x,t 的大小关系,从而划分积分区间:

I=∫−1t(t−x)e2xdx+∫t1(x−t)e2xdx

接下来可以利用表格积分法求各个被积函数的原函数:

I=e2t4−(t+12+14)e−2+e2t4−(t−12+14)e2⟹f′(t)=e2t−e−2−e2

由于该导函数是单调递增所以我们代入两个端点:

f′(−1)=e−2−e22<0f′(1)=e2−e−22>0

因此 f(x) 必然形如 y=x2,故而最值必定在两个端点处,我们需要对比 f(1),f(−1) 的大小:

f(1)=e2−5e−24f(−1)=3e2+e−24⟹f(−1)>f(1)

从而最大值为 3e2+e−24。

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求 I=∫0ln⁡nln⁡2[2x]dx。


设 [2x]=k,那么有 k≤2x<k+1,ln⁡kln⁡2≤x<ln⁡(k+1)ln⁡2。从而,我们可以通过讨论 k,来进行区间划分:

I=∑k=1n−1k∫ln⁡kln⁡2ln⁡(k+1)ln⁡2dx=∑k=1n−1kln⁡(k+1)−kln⁡kln⁡2

于是,我们可以通过凑差分,来求这个级数:

kln⁡(k+1)−kln⁡k=[(k+1)ln⁡(k+1)−kln⁡k]−ln⁡(k+1)I=1ln⁡2nln⁡n−1ln⁡2ln⁡n!

79

已知 ∑n=1∞1n2=π26,求 ∫01x{1x}dx。


我们可以通过变换 {1x}=1x−[1x] 转化为求取整函数的积分:

I=∫01x(1x−[1x])dx=1−∫01x[1x]dx

设 [1x]=k,那么有 k≤1x<k+1,1k+1<x≤1k,从而可以将上述积分划分为:

I=limn→∞(∑k=1n−1∫1k+11kkxdx)=limn→∞∑k=1n−1(k⋅1k2−k⋅1(k+1)2)

我们使用差分的方法求这个级数:

k⋅1k2−(k+1)⋅1(k+1)2+1(k+1)2I=limn→∞(1−1n)+limn→∞∑k=1n−11(k+1)2=1+π26−1=π26