高等数学张宇18讲 第七讲 一元函数积分学的概念与计算
目录
- 例题七
- 例7.10 设y=y(x)y=y(x)y=y(x),如果∫ydx⋅∫1ydx=−1\displaystyle\int y\mathrm{d}x\cdot\displaystyle\int\cfrac{1}{y}\mathrm{d}x=-1∫ydx⋅∫y1dx=−1,且limx→+∞y=0\lim\limits_{x\to+\infty}y=0x→+∞limy=0,求yyy的表达式。
- 例7.20 求∫dxx22x−4\displaystyle\int\cfrac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{2x-4}}∫x22x−4dx。
- 例7.24 求极限limn→∞(b1n−1)∑i=0n−1binsinb2i+12n\lim\limits_{n\to\infty}(b^{\frac{1}{n}}-1)\sum^{n-1}\limits_{i=0}b^{\frac{i}{n}}\sin b^{\frac{2i+1}{2n}}n→∞lim(bn1−1)i=0∑n−1bnisinb2n2i+1。
- 例7.32 求∫0πxsin9xdx\displaystyle\int^\pi_0x\sin^9x\mathrm{d}x∫0πxsin9xdx。
- 例7.45 设f(x)f(x)f(x)连续,则ddx[∫0xtf(x2−t2)dt]=\cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\displaystyle\int^x_0tf(x^2-t^2)\mathrm{d}t\right]=dxd[∫0xtf(x2−t2)dt]=( )。
- 例7.51 求∫3+∞dx(x−1)4x2−2x\displaystyle\int^{+\infty}_3\cfrac{\mathrm{d}x}{(x-1)^4\sqrt{x^2-2x}}∫3+∞(x−1)4x2−2xdx。
- 习题七
- 7.11 计算∫arcsinxa+xdx\displaystyle\int\arcsin\sqrt{\cfrac{x}{a+x}}\mathrm{d}x∫arcsina+xxdx(a>0a>0a>0是常数)。
- 7.14 求极限limn→∞∑i=1nsiniπnn+1i\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+\cfrac{1}{i}}n→∞limi=1∑nn+i1sinniπ。
- 7.17 计算定积分∫−π4π4ex2cosx−sinxcosxdx\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\cfrac{\cos x-\sin x}{\sqrt{\cos x}}\mathrm{d}x∫−4π4πe2xcosxcosx−sinxdx。
- 新版例题八
- 例8.12
- 新版习题八
- 8.4
- 新版例题九
- 例9.3
- 写在最后
例题七
例7.10 设y=y(x)y=y(x)y=y(x),如果∫ydx⋅∫1ydx=−1\displaystyle\int y\mathrm{d}x\cdot\displaystyle\int\cfrac{1}{y}\mathrm{d}x=-1∫ydx⋅∫y1dx=−1,且limx→+∞y=0\lim\limits_{x\to+\infty}y=0x→+∞limy=0,求yyy的表达式。
解 由已知条件,得
∫1ydx=−1∫ydx.\displaystyle\int\cfrac{1}{y}\mathrm{d}x=\cfrac{-1}{\displaystyle\int y\mathrm{d}x}. ∫y1dx=∫ydx−1.
根据不定积分的定义,有
1y=(−1∫ydx)′=y(∫ydx)2.\cfrac{1}{y}=\left(\cfrac{-1}{\displaystyle\int y\mathrm{d}x}\right)'=\cfrac{y}{(\displaystyle\int y\mathrm{d}x)^2}. y1=⎝⎜⎜⎛∫ydx−1⎠⎟⎟⎞′=(∫ydx)2y.
所以∫ydx=±y\displaystyle\int y\mathrm{d}x=\pm y∫ydx=±y,可得±y′=y\pm y'=y±y′=y,即±dydx=y\pm\cfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=y±dxdy=y,分离变量,两边积分,再由limx→+∞y=0,y(0)=1\lim\limits_{x\to+\infty}y=0,y(0)=1x→+∞limy=0,y(0)=1,得y=e−xy=e^{-x}y=e−x。(这道题主要利用了隐函数的求导的方法求解)
例7.20 求∫dxx22x−4\displaystyle\int\cfrac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{2x-4}}∫x22x−4dx。
解
∫dxx22x−4=2x−4=t∫4dt(t2+4)2=t=2tanu4∫2sec2udu42⋅sec4u=12∫cos2udu=14∫(1+cos2u)du=14u+18sin2u+C=14arctant2+14⋅t4+t2⋅24+t2+C=14arctan2x−42+sqrt2x−44x+C.\begin{aligned} \displaystyle\int\cfrac{\mathrm{d}x}{x^2\sqrt{2x-4}}&\xlongequal{\sqrt{2x-4}=t}\displaystyle\int\cfrac{4\mathrm{d}t}{(t^2+4)^2}\xlongequal{t=2\tan u}4\displaystyle\int\cfrac{2\sec^2u\mathrm{d}u}{4^2\cdot\sec^4u}\\ &=\cfrac{1}{2}\displaystyle\int\cos^2u\mathrm{d}u=\cfrac{1}{4}\displaystyle\int(1+\cos2u)\mathrm{d}u=\cfrac{1}{4}u+\cfrac{1}{8}\sin2u+C\\ &=\cfrac{1}{4}\arctan\cfrac{t}{2}+\cfrac{1}{4}\cdot\cfrac{t}{\sqrt{4+t^2}}\cdot\cfrac{2}{\sqrt{4+t^2}}+C\\ &=\cfrac{1}{4}\arctan\cfrac{\sqrt{2x-4}}{2}+\cfrac{sqrt{2x-4}}{4x}+C. \end{aligned} ∫x22x−4dx2x−4=t∫(t2+4)24dtt=2tanu4∫42⋅sec4u2sec2udu=21∫cos2udu=41∫(1+cos2u)du=41u+81sin2u+C=41arctan2t+41⋅4+t2t⋅4+t22+C=41arctan22x−4+4xsqrt2x−4+C.
例7.24 求极限limn→∞(b1n−1)∑i=0n−1binsinb2i+12n\lim\limits_{n\to\infty}(b^{\frac{1}{n}}-1)\sum^{n-1}\limits_{i=0}b^{\frac{i}{n}}\sin b^{\frac{2i+1}{2n}}n→∞lim(bn1−1)i=0∑n−1bnisinb2n2i+1。
解 原式=limn→∞(b1n−1)∑i=0n−1(sinb2i+12n)(bi+1n−bin)\text{原式}=\lim\limits_{n\to\infty}(b^{\frac{1}{n}}-1)\sum^{n-1}\limits_{i=0}(\sin b^{\frac{2i+1}{2n}})(b^{\frac{i+1}{n}}-b^{\frac{i}{n}})原式=n→∞lim(bn1−1)i=0∑n−1(sinb2n2i+1)(bni+1−bni),这里的和式,可看成函数sinx\sin xsinx在[1,b][1,b][1,b]上按以下划分
1=b0n<b1n<b2n<⋯<bnn=b1=b^{\frac{0}{n}}<b^{\frac{1}{n}}<b^{\frac{2}{n}}<\cdots<b^{\frac{n}{n}}=b 1=bn0<bn1<bn2<⋯<bnn=b
所做的积分和,其中Δxi=bi+1n−bin\Delta x_i=b^{\frac{i+1}{n}}-b^{\frac{i}{n}}Δxi=bni+1−bni为小区间[bi+1n,bin][b^{\frac{i+1}{n}},b^{\frac{i}{n}}][bni+1,bni]的长度,最大区间长度λ=max0⩽i⩽n−1{Δxi}⩽b(b1n−1)→0(n→∞)\lambda=\underset{0\leqslant i\leqslant n-1}{\mathrm{max}}\{\Delta x_i\}\leqslant b(b^{\frac{1}{n}}-1)\to0(n\to\infty)λ=0⩽i⩽n−1max{Δxi}⩽b(bn1−1)→0(n→∞),又ξi=b2i+12n∈[bi+1n,bin]\xi_i=b^{\frac{2i+1}{2n}}\in[b^{\frac{i+1}{n}},b^{\frac{i}{n}}]ξi=b2n2i+1∈[bni+1,bni]为小区间两端点的比例中项,因此原极限=∫1bsinxdx=cos1−cosb\text{原极限}=\displaystyle\int^b_1\sin x\mathrm{d}x=\cos1-\cos b原极限=∫1bsinxdx=cos1−cosb。(这道题主要利用了放缩法求解)
例7.32 求∫0πxsin9xdx\displaystyle\int^\pi_0x\sin^9x\mathrm{d}x∫0πxsin9xdx。
解 设法消除xxx,使用区间再现公式(∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx\displaystyle\int^b_af(x)\mathrm{d}x=\displaystyle\int^b_af(a+b-x)\mathrm{d}x∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx),令x=π−tx=\pi-tx=π−t,则
I=∫0πxsin9xdx=∫π0(π−t)sin9t(−dt)=∫0ππsin9tdt−∫0πtsin9tdt.I=\displaystyle\int^\pi_0x\sin^9x\mathrm{d}x=\displaystyle\int^0_\pi(\pi-t)\sin^9t(-\mathrm{d}t)=\displaystyle\int^\pi_0\pi\sin^9t\mathrm{d}t-\displaystyle\int^\pi_0t\sin^9t\mathrm{d}t. I=∫0πxsin9xdx=∫π0(π−t)sin9t(−dt)=∫0ππsin9tdt−∫0πtsin9tdt.
从而
I=π2∫0πsin9tdt=π2(∫0π2sin9tdt+∫π2πsin9tdt)=π2[∫0π2sin9tdt+∫0π2sin9(π−t)dt]=π∫0π2sin9tdt=π⋅89⋅67⋅45⋅23=128π315.\begin{aligned} I&=\cfrac{\pi}{2}\displaystyle\int^\pi_0\sin^9t\mathrm{d}t=\cfrac{\pi}{2}\left(\displaystyle\int^{\frac{\pi}{2}}_0\sin^9t\mathrm{d}t+\displaystyle\int^\pi_{\frac{\pi}{2}}\sin^9t\mathrm{d}t\right)\\ &=\cfrac{\pi}{2}\left[\displaystyle\int^{\frac{\pi}{2}}_0\sin^9t\mathrm{d}t+\displaystyle\int^{\frac{\pi}{2}}_0\sin^9(\pi-t)\mathrm{d}t\right]\\ &=\pi\displaystyle\int^{\frac{\pi}{2}}_0\sin^9t\mathrm{d}t=\pi\cdot\cfrac{8}{9}\cdot\cfrac{6}{7}\cdot\cfrac{4}{5}\cdot\cfrac{2}{3}=\cfrac{128\pi}{315}. \end{aligned} I=2π∫0πsin9tdt=2π(∫02πsin9tdt+∫2ππsin9tdt)=2π[∫02πsin9tdt+∫02πsin9(π−t)dt]=π∫02πsin9tdt=π⋅98⋅76⋅54⋅32=315128π.
(这道题主要利用了三角函数的积分求解)
例7.45 设f(x)f(x)f(x)连续,则ddx[∫0xtf(x2−t2)dt]=\cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\displaystyle\int^x_0tf(x^2-t^2)\mathrm{d}t\right]=dxd[∫0xtf(x2−t2)dt]=( )。
解 令x2−t2=ux^2-t^2=ux2−t2=u,则−2tdt=du-2t\mathrm{d}t=\mathrm{d}u−2tdt=du,当t=0t=0t=0时,u=x2u=x^2u=x2;当t=xt=xt=x时,u=0u=0u=0。
ddx[∫0xtf(x2−t2)dt]=12ddx[∫0x2f(u)du]=xf(x2).\cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\displaystyle\int^x_0tf(x^2-t^2)\mathrm{d}t\right]=\cfrac{1}{2}\cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\displaystyle\int^{x^2}_0f(u)\mathrm{d}u\right]=xf(x^2). dxd[∫0xtf(x2−t2)dt]=21dxd[∫0x2f(u)du]=xf(x2).
(这道题主要利用了换元法求解)
例7.51 求∫3+∞dx(x−1)4x2−2x\displaystyle\int^{+\infty}_3\cfrac{\mathrm{d}x}{(x-1)^4\sqrt{x^2-2x}}∫3+∞(x−1)4x2−2xdx。
解
原式=∫3+∞dx(x−1)4(x−1)2−1=令x−1=secθ∫π3π2secθtanθsec4θtanθdθ=∫π3π2(1−sin2θ)cosθdθ=23−338.\begin{aligned} \text{原式}&=\displaystyle\int^{+\infty}_3\cfrac{\mathrm{d}x}{(x-1)^4\sqrt{(x-1)^2-1}}\xlongequal{\text{令}x-1=\sec\theta}\displaystyle\int^{\frac{\pi}{2}}_{\frac{\pi}{3}}\cfrac{\sec\theta\tan\theta}{\sec^4\theta\tan\theta}\mathrm{d}\theta\\ &=\displaystyle\int^{\frac{\pi}{2}}_{\frac{\pi}{3}}(1-\sin^2\theta)\cos\theta\mathrm{d}\theta=\cfrac{2}{3}-\cfrac{3\sqrt{3}}{8}. \end{aligned} 原式=∫3+∞(x−1)4(x−1)2−1dx令x−1=secθ∫3π2πsec4θtanθsecθtanθdθ=∫3π2π(1−sin2θ)cosθdθ=32−833.
(这道题主要利用了三角函数换元求解)
习题七
7.11 计算∫arcsinxa+xdx\displaystyle\int\arcsin\sqrt{\cfrac{x}{a+x}}\mathrm{d}x∫arcsina+xxdx(a>0a>0a>0是常数)。
解 令arcsinxa+x=t,x=asin2t1−sin2t=atant2\arcsin\sqrt{\cfrac{x}{a+x}}=t,x=\cfrac{a\sin^2t}{1-\sin^2t}=a\tan t^2arcsina+xx=t,x=1−sin2tasin2t=atant2,于是
∫arcsinxa+xdx=∫td(atan2t)=attan2t−a∫tan2tdt=attan2t+a∫(1−sec2t)dt=attan2t+at−atant+C=(a+x)arcsinxa+x−ax+C.\begin{aligned} \displaystyle\int\arcsin\sqrt{\cfrac{x}{a+x}}\mathrm{d}x&=\displaystyle\int t\mathrm{d}(a\tan^2t)=at\tan^2t-a\displaystyle\int\tan^2t\mathrm{d}t\\ &=at\tan^2t+a\displaystyle\int(1-\sec^2t)\mathrm{d}t=at\tan^2t+at-a\tan t+C\\ &=(a+x)\arcsin\sqrt{\cfrac{x}{a+x}}-\sqrt{ax}+C. \end{aligned} ∫arcsina+xxdx=∫td(atan2t)=attan2t−a∫tan2tdt=attan2t+a∫(1−sec2t)dt=attan2t+at−atant+C=(a+x)arcsina+xx−ax+C.
(这道题主要利用了换元法求解)
7.14 求极限limn→∞∑i=1nsiniπnn+1i\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+\cfrac{1}{i}}n→∞limi=1∑nn+i1sinniπ。
解 这是数列前nnn项和的极限,当各项分母相同且均为nnn时,
limn→∞∑i=1nsiniπnn=limn→∞1n∑i=1nsiniπn=∫01sinπxdx.\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n}=\lim\limits_{n\to\infty}\cfrac{1}{n}\sum^n\limits_{i=1}\sin\cfrac{i\pi}{n}=\displaystyle\int^1_0\sin\pi x\mathrm{d}x. n→∞limi=1∑nnsinniπ=n→∞limn1i=1∑nsinniπ=∫01sinπxdx.
于是,先对∑i=1nsiniπnn+1i\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+\cfrac{1}{i}}i=1∑nn+i1sinniπ进行放缩,有
limn→∞∑i=1nsiniπnn+1⩽limn→∞∑i=1nsiniπnn+1i⩽limn→∞∑i=1nsiniπnn.\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+1}\leqslant\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+\cfrac{1}{i}}\leqslant\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n}. n→∞limi=1∑nn+1sinniπ⩽n→∞limi=1∑nn+i1sinniπ⩽n→∞limi=1∑nnsinniπ.
由于
limn→∞∑i=1nsiniπnn=limn→∞1n∑i=1nsiniπn=∫01sinπxdx=2π,limn→∞∑i=1nsiniπnn+1=limn→∞nn+1⋅1n∑i=1nsiniπn=1⋅∫01sinπxdx=2π.\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n}=\lim\limits_{n\to\infty}\cfrac{1}{n}\sum^n\limits_{i=1}\sin\cfrac{i\pi}{n}=\displaystyle\int^1_0\sin\pi x\mathrm{d}x=\cfrac{2}{\pi},\\ \lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+1}=\lim\limits_{n\to\infty}\cfrac{n}{n+1}\cdot\cfrac{1}{n}\sum^n\limits_{i=1}\sin\cfrac{i\pi}{n}=1\cdot\displaystyle\int^1_0\sin\pi x\mathrm{d}x=\cfrac{2}{\pi}. n→∞limi=1∑nnsinniπ=n→∞limn1i=1∑nsinniπ=∫01sinπxdx=π2,n→∞limi=1∑nn+1sinniπ=n→∞limn+1n⋅n1i=1∑nsinniπ=1⋅∫01sinπxdx=π2.
所以,由夹挤定理得
limn→∞∑i=1nsiniπnn+1i=2π.\lim\limits_{n\to\infty}\sum^n\limits_{i=1}\cfrac{\sin\cfrac{i\pi}{n}}{n+\cfrac{1}{i}}=\cfrac{2}{\pi}. n→∞limi=1∑nn+i1sinniπ=π2.
(这道题主要利用了夹挤定理和定积分的定义求解)
7.17 计算定积分∫−π4π4ex2cosx−sinxcosxdx\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\cfrac{\cos x-\sin x}{\sqrt{\cos x}}\mathrm{d}x∫−4π4πe2xcosxcosx−sinxdx。
解
∫−π4π4ex2cosx−sinxcosxdx=∫−π4π4ex2cosxdx−∫−π4π4ex2sinxcosxdx=∫−π4π4ex2cosxdx+2∫−π4π4ex2d(cosx)=∫−π4π4ex2cosxdx+2ex2cosx∣−π4π4−∫−π4π4ex2cosxdx=84(eπ8−e−π8).\begin{aligned} \displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\cfrac{\cos x-\sin x}{\sqrt{\cos x}}\mathrm{d}x&=\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\sqrt{\cos x}\mathrm{d}x-\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\cfrac{\sin x}{\sqrt{\cos x}}\mathrm{d}x\\ &=\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\sqrt{\cos x}\mathrm{d}x+2\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\mathrm{d}(\sqrt{\cos x})\\ &=\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\sqrt{\cos x}\mathrm{d}x+2e^{\frac{x}{2}}\sqrt{\cos x}\biggm\vert^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}-\displaystyle\int^{\frac{\pi}{4}}_{-\frac{\pi}{4}}e^{\frac{x}{2}}\sqrt{\cos x}\mathrm{d}x\\ &=\sqrt[4]{8}(e^{\frac{\pi}{8}}-e^{-\frac{\pi}{8}}). \end{aligned} ∫−4π4πe2xcosxcosx−sinxdx=∫−4π4πe2xcosxdx−∫−4π4πe2xcosxsinxdx=∫−4π4πe2xcosxdx+2∫−4π4πe2xd(cosx)=∫−4π4πe2xcosxdx+2e2xcosx∣∣∣∣−4π4π−∫−4π4πe2xcosxdx=48(e8π−e−8π).
(这道题主要利用了凑整法求解)
新版例题八
例8.12
新版习题八
8.4
新版例题九
例9.3
写在最后
另,7.11的题目中所有的arcsin(x/a+x),实际上应该是arcsin(x/a+x)^(1/2),网页转换有问题。
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