求定积分:∫01lnxxb−xadx,其中 a,b>−1
令 I(t)=∫01lnxxt−1dx,接下来考虑求该定积分,首先两边对 t 求导
I′(t)=dxd∫01lnxxt−1dx=∫01∂t∂lnxxt−1dx=1+tx1+t01=1+t1
则
I(t)=∫I′(t)dt=ln∣1+t∣+C
接下来求 C,因为 I(0)=0,所以 ln1+C=0,从而 C=0,因此 I(t)=ln∣t+1∣,则
∫01lnxxb−xadx=I(b)−I(a)=ln1+a1+b=lna+1b+1
求定积分:∫02πln(a2sin2x+b2cos2x)dx,其中 a,b>0
为了巩固上一题的解法,我向 AI 要来了这题,这题的解法与上题有相似但不完全一样
令 I(a)=∫02πln(a2sin2x+b2cos2x)dx,同样地,两边对 a 求导
I′(a)=∫02πa2sin2x+b2cos2x2asin2xdx=∫02πa2tan2x+b22atan2xdx
令 t=tanx,则 dx=1+t2dt
I′(a)==∫0+∞(a2t2+b2)(1+t2)2at2dt=−a2−b22ab2∫0+∞a2t2+b21dt+a2−b22a∫0+∞1+t21dt=−a2−b22ab2ab1arctanbat0+∞+a2−b22aarctant∣0+∞=a2−b2π(a−b)=a+bπ
则
I(a)=∫a+bπda=πln∣a+b∣+C
又 I(b)=∫02πln(b2)dx=πlnb,则 C=πlnb−πln∣2b∣=−πln2
所以
∫02πln(a2sin2x+b2cos2x)dx=πln2a+b
求定积分:∫xsin3xdx
求不定积分:∫sec3xdx
首先凑微分 ∫secxd(tanx),接下来用分部积分公式
====∫sec3xdx∫secxd(tanx)secxtanx−∫tan2xsecxdxsecxtanx−∫(sec2x−1)secxdxsecxtanx−∫sec3xdx+∫secxdx
则有
∫sec3xdx=21(secxtanx+∫secxdx)
那么只要求出 ∫secxdx 求行了,这里我们设 u=secx+tanx,则
du=secx(secx+tanx)dx=usecxdx
则 secxdx=udu,则
∫secxdx=∫udu=ln∣u∣=ln∣secx+tanx∣+C
代回即可得到
∫secxdx=21(secxtanx+ln∣secx+tanx∣)+C
求不定积分:∫sinxsin2nxdx
注意到
sin2nx=k=0∑n[sin2kx−sin(2k−2)x]=2sinxk=0∑ncos(2k−2)x
则
∫sinxsin2nxdx=∫2k=0∑ncos(2k−2)xdx=2k=0∑n∫cos(2k−2)xdx=2k=0∑n2k−1sin(2k−1)x+C
同样的,我们还可以通过这种方法求得 ∫sinxsin(2n+1)xdx=x+2k=1∑n2ksin2kx+C
求定积分:∫0π1−cosx1−cos(nx)dx,其中 n∈N
首先利用半角公式将形式简化
∫0π1−cosx1−cos(nx)dx=∫0πsin22xsin22nxdxx=2u2∫02πsin2usin2nudu
令 I(n)=∫02πsin2usin2nudx,利用三角平方差公式可得
I(n)−I(n−1)=∫02πsin2usinusin[(2n−1)u]du=∫02πsinusin[(2n−1)u]du
想要消去分母的 sinu,我们需要再做差
[I(n+1)−I(n)]−[I(n)−I(n−1)]=∫02πsinusin[(2n+1)u]−sin[(2n−1)u]dx=∫02πsinu2cos2nusinudu=2∫02πcos2nudu=0
则 I(n)−I(n−1)=I(1)−I(0)=2π,则根据等差数列的通项公式有
I(n)=2πn
则
∫0π1−cosx1−cos(nx)dx=2I(n)=nπ
实际上,此题和上一题是同一类题,因此我们也可以采用上一题的解法
首先仍然采用半角公式和换元,此处省略, 直接计算 ∫02πsin2usin2nudx
∫02πsin2usin2nudu=∫02πsin2u∑i=1n[sin2(iu)−sin2(i−1)u]du=∫02πsin2usinu∑i=1nsin(2i−1)udu=∫02πsinu∑i=1n{∑j=1i[sin(2j−1)u−sin(2j−3)u]+sinu}du=∫02πsinu∑i=1n{2∑j=1i[cos(2j−2)sinu]+sinu}du=∫02π[2i=1∑nj=1∑icos(2j−2)u+n]du=2i=1∑nj=1∑i∫02πcos(2j−2)udu+2nπ=2nπ
因此
∫0π1−cosx1−cos(nx)dx=nπ
求不定积分: ∫eaxcosbxdx,∫eaxsinbxdx
首先对两个积分分别使用分部积分法
∫eaxcosbxdx=a1eaxcosbx+ab∫eaxsinbxdx∫eaxsinbxdx=a1eaxsinbx−ab∫eaxcosbxdx
这里发现,我们得到了关于这两个积分的二元一次方程组,解这个方程组可得
∫eaxcosbxdx=a2+b2eax(acosbx+bsinbx)+C∫eaxsinbxdx=a2+b2eax(asinbx−bcosbx)+C
求不定积分:∫sinx+cosxcos2xdx
先来看第一种解法,这种解法的关键是要想到使用半角公式
∫sinx+cosxcos2xdx=21∫sinx+cosx1+cos2xdx=21∫sinx+cosx1+(cosx+sinx)(cosx−sinx)dx=21∫(sinx+cosx1+cosx−sinx)dx=21[∫sinx+cosx1dx+∫(cosx−sinx)dx]=21[∫2sin(x+4π)1dx+sinx+cosx]=21[21∫csc(x+4π)dx+sinx+cosx]=21[21lncsc(x+4π)−cot(x+4π)+sinx+cosx]+C
第二种解法与上一题有些相似之处(利用对偶式)
令 I=∫sinx+cosxcos2xdx,J=∫sinx+cosxsin2xdx
然后分别计算 I+J 和 I−J
I+J=∫sinx+cosxdx=21lncsc(x+4π)−cot(x+4π)+C1I−J=∫(cosx−sinx)dx=sinx+cosx+C2
两式相加即可得到 I