9.1 第六次作业参考答案

9.1.1 习题6.2

例 9.1.1 (习题6.2.1)计算以下不定积分:

(1)

∫xxxdx

(2)

∫1x2cos⁡1xdx

(3)

∫1ex+e−xdx

(4)

∫1+cos⁡2xdx

(5)

∫dx1+x2

解 (1) (1)∫xxxdx=∫x7/4dx=411x11/4+C

(2) (2)∫1x2cos⁡1xdx=−∫cos⁡1xd(1x)=−sin⁡1x+C

(3) (3)∫1ex+e−xdx=∫d(ex)e2x+1=arctan⁡(ex)+C

(4) 设x∈[−π2,π2],则(4)∫1+cos⁡2xdx=∫2cos⁡xdx=2sin⁡x+C

(5) (5)∫dx1+x2=x=tan⁡t∫sec⁡tdt=ln⁡|sec⁡t+tan⁡t|+C=ln⁡(x+1+x2)+C ◻

例 9.1.2 (习题6.2.2)计算以下不定积分,其中n是正整数,a,b,α,β,λ都是非零实数:

(1)

∫eλxsin⁡xdx

(2)

∫sin⁡αxcos⁡βxdx

(3)

∫tan⁡xdx

(4)

∫sin⁡xdxasin⁡x+bcos⁡x、∫cos⁡xdxasin⁡x+bcos⁡x

(5)

∫x4ln2⁡xdx

(6)

∫sin⁡(ln⁡x)dx

解 (1) 设[eλx(Asin⁡x+Bcos⁡x)]′=eλxsin⁡x,则(6)eλxsin⁡x=eλx[(λA−B)sin⁡x+(A+λB)cos⁡x]⟹A=λλ2+1,B=−1λ2+1 因此(7)∫eλxsin⁡xdx=eλx(λsin⁡x−cos⁡x)λ2+1+C

(2) 设α2≠β2,则(8)∫sin⁡αxcos⁡βxdx=12∫[sin⁡(α+β)x+sin⁡(α−β)x]dx=−cos⁡(α+β)x2(α+β)−cos⁡(α−β)x2(α−β)+C

(3) (9)∫tan⁡xdx=−∫d(cos⁡x)cos⁡x=−ln⁡|cos⁡x|+C

(4) 设第一、二个被积函数的原函数分别为F1,F2,则(10)aF1+bF2=∫dx=x+C1,−bF1+aF2=∫acos⁡x−bsin⁡xasin⁡x+bcos⁡xdx=ln⁡|asin⁡x+bcos⁡x|+C2 因此(11)∫sin⁡xdxasin⁡x+bcos⁡x=ax−bln⁡|asin⁡x+bcos⁡x|a2+b2+C∫cos⁡xdxasin⁡x+bcos⁡x=bx+aln⁡|asin⁡x+bcos⁡x|a2+b2+C

(5) (12)∫x4ln2⁡xdx=15x5ln2⁡x−25∫x4ln⁡xdx=15x5ln2⁡x−225x5ln⁡x+2125x5+C

(6) (13)∫sin⁡(ln⁡x)dx=x=et∫etsin⁡tdt=12x(sin⁡(ln⁡x)−cos⁡(ln⁡x))+C ◻

9.1.2 习题6.3

例 9.1.3 (习题6.3.4)计算以下不定积分:

(1)

∫dxx2(1+x2)2dx

(2)

∫x3(1−x2)3dx

(3)

∫x+31−x3dx

(4)

∫1+x2dx

(5)

∫1x+x3dx

(6)

∫x2−x+1x2+2x+2dx

(7)

∫x31−x2dx

(8)

∫dxcos3⁡xdx

(9)

∫sin5⁡xcos4⁡xdx

(10)

∫dxx1+x53

(11)

∫dx3+2sin⁡x

(12)

∫dxcos4⁡x

(13)

∫dx1+x44

(14)

∫1+x43xdx

解 (1) 设(14)1x2(1+x2)2=Ax2+E1+x2+F(1+x2)2⟹1=A(1+x2)2+Ex2(1+x2)+Fx2 令x=0可得A=1,令x=i可得F=−1。等式两边同时求导并代入x=i可得(15)0=0+0+2Ex3+2Fx⟹E=F=−1 因此(16)∫dxx2(1+x2)2=−1x−x2(1+x2)−32arctan⁡x+C 其中(17)In:=∫dx(1+x2)n=x(1+x2)n+2n∫x2dx(1+x2)n+1=x(1+x2)n+2n(In−In+1)⟹In+1=x2n(1+x2)n+2n−12nIn

(2) 设(18)x3(1−x2)3=Ax1−x2+Bx(1−x2)2+Dx(1−x2)3⟹x2=A(1−x2)2+B(1−x2)+D 令x=1可得D=1。等式两边同时求导可得(19)2x=−4Ax(1−x2)−2Bx⟹A=0,B=−1 因此(20)∫x3(1−x2)3dx=−12(1−x2)+14(1−x2)2+x+C

(3) 令t=x+31−x3,则x=t3−3t3+1,dx=12t2(1+t3)2dt,此时(21) ∫x+31−x3dx=12∫t3dt(1+t3)2=−4t1+t3+433arctan⁡2t−13+23ln⁡(t+1)2t2−t+1+C=(x−1)x+31−x3+433arctan⁡2x+31−x3−13+2ln⁡(1+x+31−x3)+23ln⁡(1−x)+C

(4) (22)∫1+x2dx=x=tan⁡t∫sec3⁡tdt=12[x1+x2+ln⁡(x+1+x2)]+C

(5) (23)∫1x+x3dx=x=t6∫6t5t3+t2dt=6x6−3x3+2x−6ln⁡(1+x6)+C

(6) 令t=x+1,则(24) ∫x2−x+1x2+2x+2dx=∫t2+1−3t+2t2+1dt=∫1+t2dt+∫2dt1+t2−31+t2=12[t1+t2+ln⁡(t+1+t2)]+2ln⁡(t+1+t2)−31+t2+C=12(x+1)x2+2x+2+52ln⁡(x+1+x2+2x+2)−3x2+2x+2+C

(7) 令x=sin⁡t、u=cos⁡t=1−x2,则(25)∫x31−x2dx=∫sin3⁡tcos2⁡tdt=∫(u2−1)u2du=15(1−x2)5/2−13(1−x2)3/2+C

(8) (26)∫sec3⁡xdx=∫sec⁡xd(tan⁡x)=sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡xtan2⁡xdx=sec⁡xtan⁡x+∫sec⁡xdx−∫sec3⁡xdx=12(sec⁡xtan⁡x+ln⁡|sec⁡x+tan⁡x|)+C

(9) 令t=cos⁡x,则(27)∫sin5⁡xcos4⁡xdx=−∫(1−t2)2dtt4=13cos3⁡x−2cos⁡x−cos⁡x+C

(10) 令t=1+x53,则dxx=5x4dx5x5=3t2dt5(t3−1)(28)∫dxx1+x53=35∫tdtt3−1=35arctan⁡1+21+x533+310ln⁡|1+x53−1|−12ln⁡|x|+C

(11) 利用万能公式可得(29)∫dx3+2sin⁡x=25arctan⁡2+3tan⁡x25+C

(12) (30)∫sec4⁡xdx=∫(1+tan2⁡x)d(tan⁡x)=tan⁡x+13tan3⁡x+C

(13) 令t=x−4、u=1+t4,则(31)∫dx1+x44=−14∫dtt1+t4=−∫u2duu4−1=12arctan⁡x1+x44+14ln⁡x+1+x44x−1+x44+C

(14) 令t=1+x43,则(32)∫1+x43xdx=12∫(t3−1)t3dt=127(1+x4)7/3−3(1+x4)4/3+C ◻

9.1.3 习题7.1

例 9.1.4 (习题7.1.5)设g∈R[a,b]满足∫abg(x)dx>0,证明:∃ξ∈(a,b)使得g在ξ处连续且g(ξ)>0。

证明 采用反证法1。假设∀ξ∈(a,b),若g在ξ处连续则g(ξ)≤0。由于g∈R[a,b],故

  • g有界,即∃M>0使得|g(x)|≤M。
  • g在[a,b]上的间断点集为零测集,即∀δ>0,存在总长度为δ的有限开区间集A覆盖间断点集。

故∀ε>0,取δ=εM,则(33)∫abg(x)dx=∫Ag(x)dx+∫[a,b]∖Ag(x)dx≤∫AMdx+∫[a,b]∖A0dx≤Mδ=ε 令ε→0+可得(34)∫abg(x)dx≤0 与题设矛盾!故假设不成立,即∃ξ∈(a,b)使得g在ξ处连续且g(ξ)>0。 ◻

另证 仍然采用反证法,但是绕过Lebesgue法则。根据例9.3.15,f的连续点集在[a,b]上稠密,故对[a,b]的任意划分,在每一个子区间中总能取到连续点作为标志点。由于f在连续点处非正,因此Riemann和非正,作为Riemann和极限的定积分也必定非正,与题设矛盾。 ◻

例 9.1.5 (习题7.1.6)设f∈R[0,π2],证明:(35)limn→+∞∫0π/2f(x)sinn⁡xdx=0

证明 由f∈R[a,b]知f有界,故∃M>0使得|f(x)|≤M。∀ε>0,注意到(36)∫0π/2sinn⁡xdx≤∫0(π−ε)/2sinn⁡π−ε2dx+∫(π−ε)/2π/2dx<π2cosn⁡ε2+ε2≤?ε 取n满足下式即可(37)n≥ln⁡(ε/π)ln⁡[cos⁡(ε/2)] 此时(38)|∫0π/2f(x)sinn⁡xdx|≤M∫0π/2sinn⁡xdx<Mε⟹limn→+∞∫0π/2f(x)sinn⁡xdx=0 ◻

另证 实际上,由Wallis公式可得(39)∫0π/2sinn⁡xdx={π2(n−1)!!n!!,n∈even(n−1)!!n!!,n∈odd 令an=(n−1)!!n!!,则(40)anan+1=1n+1→0,a2n=exp⁡∑k=1nln⁡(1−12k)≤exp⁡∑k=1n−12k→0 亦即limn→+∞an=0。因此(41)|∫0π/2f(x)sinn⁡xdx|≤M∫0π/2sinn⁡xdx≤Mπ2(n−1)!!n!!→0 ◻

例 9.1.6 (习题7.1.8)设f:[a,b]→[α,β]严格单调,g=f−1。讨论∫abf(x)dx和∫αβg(y)dy之间的关系,并证明你的结论。

证明 本题与9.3.3类似,画图可知结论为

  • f严格增:∫abf(x)dx+∫αβg(y)dy=bf(b)−af(a)=bβ−aα。
  • f严格减:∫abf(x)dx−∫αβg(y)dy=bf(b)−af(a)=bα−aβ。

换元法需要f可微;若f仅仅可积,我们需要通过定义来证明。

对[a,b]的任意划分P:a=x0<x1<⋯<xn=b。若f严格增,则f(P):α=f(x0)<f(x1)<⋯<f(xn)=β亦是[α,β]的划分,因此两者的Riemann和满足(42) S(f,P,{xk}k=1n)+S(f−1,f(P),{f(xk)}k=0n−1)=∑k=1n[f(xk)(xk−xk−1)+f−1(f(xk−1))(f(xk)−f(xk−1))]=∑k=1n[xkf(xk)−xk−1f(xk−1)]=bf(b)−af(a) 令∥P∥→0,即得(43)∫abf(x)dx+∫αβg(y)dy=bf(b)−af(a)=bβ−aα

若f严格减,则f(P):α=f(x0)>f(x1)>⋯>f(xn)=β亦是[α,β]的划分,因此两者的Riemann和满足(44) S(f,P,{xk}k=1n)−S(f−1,f(P),{f(xk)}k=0n−1)=∑k=1n[f(xk)(xk−xk−1)−f−1(f(xk−1))(f(xk−1)−f(xk))]=∑k=1n[xkf(xk)−xk−1f(xk−1)]=bf(b)−af(a) 令∥P∥→0,即得(45)∫abf(x)dx−∫αβg(y)dy=bf(b)−af(a)=bα−aβ ◻

9.1.4 习题7.4

例 9.1.7 (习题7.4.1)计算以下定积分:

(1)

∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx,其中m,n∈N∗。

(2)

∫0π/2sin⁡(2m−1)xsin⁡xdx,其中m∈N∗。

解 (1) 当m=n时,有(46)∫−ππsin2⁡nxdx=∫−ππ1−cos⁡2nx2dx=π 当m≠n时,有(47)∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx=12∫−ππ[cos⁡(m−n)x−cos⁡(m+n)x]dx=12[sin⁡(m−n)xm−n−sin⁡(m+n)xm+n]−ππ=0 因此(48)∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx=πδmn

(2) 注意到(49)sin⁡(2m−1)x−sin⁡x=∑k=1m−1[sin⁡(2k+1)x−sin⁡(2k−1)x]=2sin⁡x∑k=1m−1cos⁡2kx 因此(50)∫0π/2sin⁡(2m−1)xsin⁡xdx=∫0π/2(1+2∑k=1m−1cos⁡2kx)dx=π2 ◻

补充 同时注意到(51)sin⁡2mx=∑k=0m−1[sin⁡(2k+2)x−sin⁡(2k)x]=2sin⁡x∑k=0m−1cos⁡(2k+1)x 因此(52)∫0π/2sin⁡2mxsin⁡xdx=2∑k=0m−1∫0π/2cos⁡(2k+1)xdx=2∑k=0m−1(−1)k2k+1

例 9.1.8 (习题7.4.2)计算以下定积分:

(1)

∫0aa2−x2dx

(2)

∫12x2−1x4dx

(3)

∫0πxsin⁡x1+cos2⁡xdx

(4)

∫01ln⁡(1+x)1+x2dx

解 (1) 令x=acos⁡θ,则(53)∫0aa2−x2dx=∫0π/2a2sin2⁡θdθ=π4a2 本题也可以直接通过几何意义得到答案。

(2) 令x=sec⁡θ,则(54)∫12x2−1x4dx=∫0arccos⁡12sin2⁡θcos⁡θdθ=13sin3⁡θ|0arccos⁡12=38

(3) 令x=π−t,则(55)∫0πxsin⁡x1+cos2⁡xdx=∫0π(π−t)sin⁡t1+cos2⁡tdt=π2∫0πsin⁡t1+cos2⁡tdt=−π2arctan⁡cos⁡t|0π=π24

(4) 令x=tan⁡θ,则(56)∫01ln⁡(1+x)1+x2dx=∫0π/4ln⁡(1+tan⁡θ)dθ=φ=π/4−θ∫0π/4ln⁡(1+1−tan⁡φ1+tan⁡φ)dφ 因此(57)∫0π/4ln⁡(1+tan⁡θ)dθ=12∫0π/4ln⁡2dθ=π8ln⁡2 ◻

1¬(A∧B)=A→¬B。