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@ -128,12 +128,81 @@ $$\int_0^x t f(x-t) \, \mathrm{d}t = x^3 - \int_0^x f(t) \, \mathrm{d}t.$$
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>\end{aligned},$$
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>两边求导得$$\int_0^xf(u)\text du+xf(x)-xf(x)=\int_0^xf(u)\text du=3x^2-f(x),\qquad(*)$$
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>再求导得$f'(x) + f(x) = 6x.$ 在 $(*)$ 式中令 $x=0$ 得 $f(0)=0.$
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>(2)考虑不定积分 $\displaystyle \int \text e^xf(x)\text dx.$ 用分部积分法得$$\begin{aligned}
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>(2)
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>**解1:** 考虑不定积分 $\displaystyle \int \text e^xf(x)\text dx.$ 用分部积分法得$$\begin{aligned}
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>\int \text e^xf(x)\text dx
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>&=\int f(x)\text d\text e^x\\
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>&=\text e^xf(x)-\int f'(x)\text e^x\text dx\\
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>&=\text e^xf(x)-\int (6x-f(x))\text e^x\text dx\\
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>&=\text e^xf(x)-6(x-1)\text e^x+\int \text e^xf(x)\text dx
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>\end{aligned},$$于是 $\text e^xf(x)=6(x-1)\text e^x+C.$ 由 $f(0)=0$ 知 $C=$
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>\end{aligned},$$于是 $\text e^xf(x)=6(x+1)\text e^x+C.$ 由 $f(0)=0$ 知 $C=6,$ 故 $\text e^xf(x)=6(x+1)\text e^x+6.$
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>从而 $\displaystyle \int_0^1\text e^xf(x)\text dx=6(x+2)\text e^x\big|_0^1+6x\big|_0^1=18\text e-6.$
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>
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>**解2:** 令 $g(x) = \text e^x f(x)$,则 $g(0)=0$,且$$g'(x) = \text e^x [f'(x)+f(x)] = 6x \text e^x.$$
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积分得$$g(x) = \int 6x \text e^x \, \mathrm{d}x = 6(x-1)\text e^x + C.$$
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代入 $g(0)=0$ 得 $0 = 6(0-1) + C$,即 $C=6$,所以$$g(x) = 6(x-1)\text e^x + 6.
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$$于是$$\begin{aligned}
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\int_0^1 \text e^x f(x) \, \mathrm{d}x
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&= \int_0^1 \left[ 6(x-1)\text e^x + 6 \right] \, \mathrm{d}x \\
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&= \left[ 6(x-2)\text e^x + 6x \right]_0^1 \\
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&= ( -6\text e + 6) - (-12) \\
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&= 18 - 6\text e.
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\end{aligned}$$
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>[!summary] 题后总结
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>第一问需要用到两个东西:(1)换元,把函数里的 $x$ 拿到函数外面来;(2)<span style='color: orange'>定积分的值与被积变量无关</span>。第二点很容易被忘记。
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>第二问的两种解法都是有来头的。
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>解法1源自分部积分法,如果你尝试对需要求的定积分进行分部积分法,然后再用第一问的结论带进去,就会发现 $\displaystyle\int_0^1\text e^xf(x)\text dx$ 这一项被消掉了,这时如果你相对敏锐一点就会想到——这一项在不定积分中也会被消掉!这样我们就可以直接求出 $f(x)$ 的表达式了,再求定积分自然不在话下。剩下要注意就是<span style='color: orange' >不要忘记积分常数</span>。
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>解法2的思路类似于微分中值定理的题。我们看第一问的结论 $f'(x) + f(x) = 6x$,是不是很像微分中值定理中我们要凑的 $(\text e^xf(x))'$?这样就产生了第二种思路。后面的过程中仍然要注意<span style='color: orange' >不要忘记积分常数</span>。
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>[!examle] 例题
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>记 $\displaystyle I_n = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^n x \, \mathrm{d}x, \ (n=0,1,2,\cdots)$。
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(1) 证明:当 $n \geq 2$ 时,$\displaystyle I_n = \frac{2^{\frac{n-2}{2}}}{n-1} + \frac{n-2}{n-1} I_{n-2}$;
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(2) 计算 $I_3$ 的值。
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>[!note] 解析
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>(1)证明:$$\begin{aligned}
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I_n &= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^n x \, \mathrm{d}x = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^{n-2} x \cdot \sec^2 x \, \mathrm{d}x \\
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&= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sec^{n-2} x \, \mathrm{d}(\tan x) \\
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&= \left[ \tan x \sec^{n-2} x \right]_0^{\frac{\pi}{4}} - \int_0^{\frac{\pi}{4}} \tan x \cdot (n-2) \sec^{n-3} x \cdot \sec x \tan x \, \mathrm{d}x \\
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&= 1 \cdot 2^{\frac{n-2}{2}} - (n-2) \int_0^{\frac{\pi}{4}} \tan^2 x \sec^{n-2} x \, \mathrm{d}x \\
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&= 2^{\frac{n-2}{2}} - (n-2) \int_0^{\frac{\pi}{4}} (\sec^2 x - 1) \sec^{n-2} x \, \mathrm{d}x \\
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&= 2^{\frac{n-2}{2}} - (n-2) \left( I_n - I_{n-2} \right),
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\end{aligned}$$
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>故$\displaystyle I_n = \frac{2^{\frac{n-2}{2}}}{n-1} + \frac{n-2}{n-1} I_{n-2}.$
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>(2)$\displaystyle I_1=\int_0^\frac{\pi}{4}\sec x\text dx=[\ln|\sec x+\tan x|]_0^\frac{\pi}{4}=\ln(\sqrt2+1).$
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>故$\displaystyle I_3=\frac{2^{\frac{3-2}{2}}}{3-1} + \frac{3-2}{3-1} I_{3-2} = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1}{2} I_1 = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1}{2} \ln(\sqrt{2} + 1).$
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>[!summary] 题后总结
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>因为要证明的式子中是 $I_n$ 和 $I_{n-2}$,中间隔了两项,所以在凑的时候也要凑一个 $\sec^2x$ 出来;而且 $\text d(\tan x)=\sec^2x\text dx$,用平方也更好凑一点。
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>[!example] 例题
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>已知函数 $$f_n(x)=\int_0^xt^2(1-t)\sin^{2n}t\text dt,\qquad x\in(-\infty,+\infty),$$其中 $n$ 为正整数。
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>(1)证明:对任意正整数 $n$,函数 $f_n(x)$ 在 $x=1$ 处取得最大值;
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>(2)记 $a_n=f_n(1),n=1,2,\cdots$,试判断级数 $\sum\limits_{n=1}^\infty a_n$ 的敛散性。
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>[!note] 解析
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>(1)$f'_n(x)=x^2(1-x)\sin^{2n}x$,令 $f'_n(x)=0$,得 $x=0,1,\pm n\pi(n=1,2,\cdots)$
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>当 $0\lt x\lt1$ 时,$x^2\gt0$,$1-x\gt0$,$\sin^{2n}x\gt0$,故 $f'_n(x)\gt0$;当 $x\gt1$ 时,$x^2\gt0$,$1-x\lt0$,$\sin^{2n}x\gt0$,故 $f'_n(x)\gt0$,故 $f'_n(x)\lt0$。因此 $f_n(x)$ 在 $x=1$ 左侧递增,右侧递减,从而 $x=1$ 为 $f_n(x)$ 的极大值点,也是最大值点。
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>(2)当 $t\in[0,1]$ 时,有 $0\leqslant\sin t\leqslant t$,故$$\begin{aligned}
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>0\leqslant a_n
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>&=\int_0^1t^2(1-t)\sin^{2n}t\text dt\\
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>&\leqslant\int_0^1t^{2n+2}(1-t)\text dt\\
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>&=\frac{t^{2n+3}}{2n+3}\bigg|_0^1-\frac{t^{2n+4}}{2n+4}\bigg|_0^1\\
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>&=\frac{1}{(2n+3)(2n+4)}.
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>\end{aligned}$$
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>又$$\lim_{n\to\infty}\dfrac{(2n+3)(2n+4)}{n^2}=4,$$由比较判别法知 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{(2n+3)(2n+4)}$ 收敛,故 $\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n$ 收敛。
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>[!summary] 题后总结
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>第一问就是单调性的分析。
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>第二问把积分和级数结合起来,关键在于放缩。至于放缩的技巧……只能说,多练吧,有一个记一个。
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>[!example] 例题
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>已知 $f'(x)=\arctan (x^2-1)$,$f(1)=0$,求 $\displaystyle\int_0^1f(x)\text dx$。
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>[!note] 解析
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>用分部积分法得 $$I=xf(x)|^1_0-\int_0^1xf'(x)\text dx=-\int_0^1x\arctan(x^2-1)\text dx.$$
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>令 $u=x^2-1$,则 $\text du=2x\text dx$,于是 $$I=-\frac{1}{2}\int_{-1}^0\arctan u\text du=-\frac{1}{2}((u\arctan u)|_{-1}^0-\frac{1}{2}\ln(1+u^2)|_{-1}^0)=\frac{\pi}{8}-\frac{1}{4}\ln2.$$
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