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3.2.2 定积分计算题

10.8k WORDS46 MIN READ#考研数学

3.2.2 定积分计算题

本节把定积分的计算题按”用什么结构特征触发什么化简”重新整理成十条线索:几何意义、对称性、周期性、常数模型、绝对值、三角代换、定积分与变限积分的互化、区间再现、含参量 nn 的极限、区间平移。每条线索都按”判断依据 → 使用条件 → 注意点”给出,例题编号与来源保持原样以便检索。

一、 定积分的几何意义

3.2.2_01_定积分几何意义示意图.png

【解】

  1. 曲线 y=a2−x2  ⟺  x2+y2=a2 (y≥0,x≥0)y = \sqrt{a^2-x^2} \iff x^2+y^2=a^2\ (y\ge0, x\ge0),其积分区间为 [0,a][0,a],表示第一象限 14\dfrac{1}{4} 圆的面积: ∫0aa2−x2 dx=14πa2\int_0^a \sqrt{a^2-x^2}\,\mathrm{d}x = \frac{1}{4}\pi a^2
  2. 曲线 y=2ax−x2  ⟺  (x−a)2+y2=a2 (y≥0)y = \sqrt{2ax-x^2} \iff (x-a)^2+y^2=a^2\ (y\ge0),表示圆心在 (a,0)(a,0)、半径为 aa 的上半圆,积分区间为 [0,2a][0, 2a]: ∫02a2ax−x2 dx=12πa2\int_0^{2a} \sqrt{2ax-x^2}\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\pi a^2

3.2.2_02_例3.42_利用圆与半圆几何面积求积分.png

【解】 内层对 yy 积分时,xx 视为常数。由第一象限 14\dfrac{1}{4} 圆面积: ∫0xx2−y2 dy=π4x2\int_0^x \sqrt{x^2-y^2}\,\mathrm{d}y = \frac{\pi}{4}x^2 代回外层积分: ∫02x dx∫0xx2−y2 dy=∫02x(π4x2)dx=π4∫02x3 dx=[π16x4]02=π\int_0^2 x\,\mathrm{d}x \int_0^x \sqrt{x^2-y^2}\,\mathrm{d}y = \int_0^2 x \left(\frac{\pi}{4}x^2\right)\mathrm{d}x = \frac{\pi}{4}\int_0^2 x^3\,\mathrm{d}x = \left[ \frac{\pi}{16}x^4 \right]_0^2 = \pi


二、 对称性(偶倍奇零)

【解】 拆开分子各项,利用奇函数积分为 00、偶函数积分加倍:

∫−112x2+sin⁡x1+1−x2 dx=∫−112x21+1−x2 dx+∫−11sin⁡x1+1−x2 dx⏟=0(奇函数)=4∫01x21+1−x2 dx=4∫011−(1−x2)1+1−x2 dx=4∫01(1−1−x2)dx=4(1−π4)=4−π\begin{aligned} \int_{-1}^1\frac{2x^2+\sin x}{1+\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x &= \int_{-1}^1\frac{2x^2}{1+\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x + \underbrace{\int_{-1}^1\frac{\sin x}{1+\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x}_{=0\text{(奇函数)}}\\ &= 4\int_0^1\frac{x^2}{1+\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x = 4\int_0^1\frac{1-(1-x^2)}{1+\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x\\ &= 4\int_0^1\left(1-\sqrt{1-x^2}\right)\mathrm{d}x\\ &= 4\left(1 - \frac{\pi}{4}\right) = 4-\pi \end{aligned}

【答案】 A

【解析】 展开被积函数: (x−acos⁡x−bsin⁡x)2=x2+a2cos⁡2x+b2sin⁡2x−2axcos⁡x−2bxsin⁡x+2absin⁡xcos⁡x(x-a\cos x-b\sin x)^2 = x^2 + a^2\cos^2 x + b^2\sin^2 x - 2ax\cos x - 2bx\sin x + 2ab\sin x\cos x 在对称区间 [−π,π][-\pi, \pi] 上,奇函数项积分全为 0:

  • ∫−ππ2axcos⁡x dx=0\displaystyle\int_{-\pi}^\pi 2ax\cos x\,\mathrm{d}x = 0(奇函数)
  • ∫−ππ2absin⁡xcos⁡x dx=0\displaystyle\int_{-\pi}^\pi 2ab\sin x\cos x\,\mathrm{d}x = 0(奇函数)

对其余偶函数项进行积分:

∫−ππ(x−acos⁡x−bsin⁡x)2 dx=∫−ππx2 dx+a2∫−ππcos⁡2x dx+b2∫−ππsin⁡2x dx−2b∫−ππxsin⁡x dx=23π3+a2π+b2π−4b∫0πxsin⁡x dx=23π3+π(a2+b2−4b)=23π3+π[a2+(b−2)2−4]\begin{aligned} \int_{-\pi}^{\pi}(x-a\cos x-b\sin x)^2\,\mathrm{d}x &= \int_{-\pi}^\pi x^2\,\mathrm{d}x + a^2\int_{-\pi}^\pi \cos^2 x\,\mathrm{d}x + b^2\int_{-\pi}^\pi \sin^2 x\,\mathrm{d}x - 2b\int_{-\pi}^\pi x\sin x\,\mathrm{d}x\\ &= \frac{2}{3}\pi^3 + a^2\pi + b^2\pi - 4b\int_0^\pi x\sin x\,\mathrm{d}x\\ &= \frac{2}{3}\pi^3 + \pi(a^2 + b^2 - 4b)\\ &= \frac{2}{3}\pi^3 + \pi\left[ a^2 + (b-2)^2 - 4 \right] \end{aligned}

当 a=0,b=2a = 0, b = 2 时该积分取得最小值,故 a1=0,b1=2a_1 = 0, b_1 = 2,a1cos⁡x+b1sin⁡x=2sin⁡xa_1\cos x + b_1\sin x = 2\sin x。选 A。

3.2.2_03_例3.45_对称区间最值分析与抛物线.png

【答案】 D

【解析】

  1. 奇偶性与零点: 因为 g(t)=tcos⁡tg(t) = t\cos t 为奇函数,其对称区间积分 ∫−11tcos⁡t dt=0\displaystyle\int_{-1}^1 t\cos t\,\mathrm{d}t = 0,故 f(1)=0f(1) = 0;又 f(−1)=0f(-1) = 0。 考察 f(−x)f(-x): f(−x)=∫−1−xtcos⁡t dt=u=−t∫1xucos⁡u du=∫−1xucos⁡u du−∫−11ucos⁡u du=f(x)f(-x) = \int_{-1}^{-x} t\cos t\,\mathrm{d}t \xlongequal{u=-t} \int_1^x u\cos u\,\mathrm{d}u = \int_{-1}^x u\cos u\,\mathrm{d}u - \int_{-1}^1 u\cos u\,\mathrm{d}u = f(x) 因此 f(x)f(x) 为偶函数。
  2. 正负性: f′(x)=xcos⁡xf'(x) = x\cos x。在 x∈(0,1)x \in (0, 1) 上 f′(x)>0f'(x) > 0(单调递增),且 f(1)=0f(1) = 0,故在 [0,1][0,1] 上 f(x)≤0f(x) \le 0(图象位于 xx 轴下方)。
  3. 分部积分求面积: S=−∫−11f(x) dx=−2∫01f(x) dx=−2[xf(x)]01+2∫01xf′(x) dx=−2(1⋅f(1)−0)+2∫01x(xcos⁡x) dx=2∫01x2cos⁡x dx\begin{aligned} S &= -\int_{-1}^1 f(x)\,\mathrm{d}x = -2\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x\\ &= -2\left[ x f(x) \right]_0^1 + 2\int_0^1 x f'(x)\,\mathrm{d}x\\ &= -2(1\cdot f(1) - 0) + 2\int_0^1 x(x\cos x)\,\mathrm{d}x\\ &= 2\int_0^1 x^2\cos x\,\mathrm{d}x \end{aligned}
选 **D**。 ![3.2.2_04_例3.47_李艳芳900函数图象与封闭图形.png](/images/kaoyan/3.2.2_04_%E4%BE%8B3.47_%E6%9D%8E%E8%89%B3%E8%8A%B3900%E5%87%BD%E6%95%B0%E5%9B%BE%E8%B1%A1%E4%B8%8E%E5%B0%81%E9%97%AD%E5%9B%BE%E5%BD%A2.png) > 💡 **【笔记】 判据提炼** > > 求面积必须走三步:**① 判奇偶**(决定能否折半放大);**② 判符号**(决定积分前是否加负号);**③ 选积分方式**。本题第三步用分部积分 $\displaystyle\int x f(x)\,\mathrm{d}x$,其成立要点是**边界项 $[xf(x)]_0^1$ 恰好为零**——若 $f(1)\ne0$,这一步就得不到只含 $f'(x)$ 的简洁结果。 --- ## 三、 定积分与周期性 > 💡 **【核心公式】 周期函数的定积分性质** > > 若 $f(x)$ 是以 $T$ 为周期的连续函数,则: > 1. **任一周期上的积分值相等**(与起点 $a$ 无关): > $$\int_a^{a+T} f(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^T f(x)\,\mathrm{d}x \quad (\forall a \in \mathbb{R})$$ > 2. **$n$ 个连续周期的积分倍数公式**: > $$\int_a^{a+nT} f(x)\,\mathrm{d}x = n\int_0^T f(x)\,\mathrm{d}x \quad (n \in \mathbb{Z}^+)$$ > 💡 **【重点关注】 判断依据|周期性为什么能把变限积分变成常数** > > - **为什么成立**:把 $\displaystyle\int_a^{a+T}$ 拆成 $\displaystyle\int_a^0+\int_0^T+\int_T^{a+T}$,对最后一段换元 $x=t+T$,利用 $f(t+T)=f(t)$ 得 $\displaystyle\int_T^{a+T}f=\int_0^a f$,与 $\displaystyle\int_a^0 f=-\int_0^a f$ 相消,只剩 $\displaystyle\int_0^T f$。倍数公式由 $n$ 个整周期拼接得到。 > - **使用条件**:$f$ 必须有正周期 $T$,且积分区间长度恰为 $T$ 的整数倍;被积函数只需可积,连续性不是必需的(连续只是常见的充分条件)。 > - **注意点**:积分区间长度不是 $T$ 的整数倍时,只能对**完整的周期部分**合并,余下的一段必须单独算。另外"周期"要与"区间对称"区分:前者管的是区间长度,后者管的是区间位置。 > 💡 **【经典例题】 例 3.48|周期积分与绝对值三角化简** > > 计算 $\displaystyle I=\int_0^{n\pi}\sqrt{1-\sin2x}\,\mathrm{d}x \quad (n \in \mathbb{Z}^+)$。 **【解】** 化简被积函数: $$\sqrt{1-\sin2x} = \sqrt{(\cos x-\sin x)^2} = |\cos x-\sin x|$$ 函数 $|\cos x-\sin x|$ 的周期为 $\pi$。利用周期积分性质化简并拆分区间:

\begin{aligned} I &= n\int_0^\pi |\cos x-\sin x|,\mathrm{d}x\ &= n\left[ \int_0^{\pi/4}(\cos x-\sin x),\mathrm{d}x + \int_{\pi/4}^{\pi}(\sin x-\cos x),\mathrm{d}x \right]\ &= n\left[ (\sin x+\cos x)\Big|0^{\pi/4} + (-\cos x-\sin x)\Big|{\pi/4}^{\pi} \right]\ &= n\left[ (\sqrt{2}-1) + (1+\sqrt{2}) \right] = 2\sqrt2,n \end{aligned}

![3.2.2_05_例3.48_绝对值三角波形与区间拆分.png](/images/kaoyan/3.2.2_05_%E4%BE%8B3.48_%E7%BB%9D%E5%AF%B9%E5%80%BC%E4%B8%89%E8%A7%92%E6%B3%A2%E5%BD%A2%E4%B8%8E%E5%8C%BA%E9%97%B4%E6%8B%86%E5%88%86.png) > 💡 **【笔记】 判据提炼** > > 开方结构 $\sqrt{1-\sin 2x}$ 必须先化成 $|\cos x-\sin x|$,再在 $\pi$ 周期内以零点 $\dfrac{\pi}{4}$ 分段去绝对值。**若不做绝对值处理直接开方,会漏掉 $[\pi/4,\pi]$ 上的符号翻转**。 --- ## 四、 “定积分是常数”模型(设常数法) > 💡 **【METHOD】 设常数法核心步骤** > > 1. **设常数**:定积分 $\displaystyle\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x$ 是一个确定常数,令其为 $A$(多个定积分则设 $A, B$); > 2. **反代函数**:将待求函数 $f(x)$ 用含自变量 $x$ 及待定常数 $A$ 的式子表示出来; > 3. **同取定积分**:在两端同时对同区间取定积分,解代数方程(组)求出常数。 > 💡 **【重点关注】 判断依据|什么时候该用设常数法,为什么它一定成功** > > - **为什么成立**:定积分对 $x$ 而言是定值,把它记作 $A$ 不引入任何新未知量,却把"含未知积分的函数方程"变成了"含参数 $A$ 的显式表达式",再对两端在**同一区间**取积分即可得到只含 $A$ 的代数方程。方程个数与未知常数个数相等时必可解出。 > - **使用条件**:函数方程中出现的定积分限必须是**固定的**(与 $x$ 无关)。若上、下限含 $x$,那是变限积分,属于函数而非常数,不能用本方法。 > - **注意点**:设常数后若两端积分得到的方程里 $A$ 自动消去(出现恒等式),说明条件不足或多设了常数,需要检查是否漏用了某个已知条件;反之若方程数少于未知数个数,往往提示还应利用奇偶性等关系再降一个未知数(如例 3.50 用偶函数把 $\int_{-1}^1$ 化为 $2a$)。 > 💡 **【经典例题】 例 3.49|单定积分项方程** > > 若 > $$f(x)=\frac{x}{1+\cos^2x}-\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin x\,\mathrm{d}x,$$ > 求 $f(x)$ 的解析式。 **【解】** 令 $A=\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin x\,\mathrm{d}x$,则原方程为: $$f(x)=\frac{x}{1+\cos^2x}-A$$ 两端同乘以 $\sin x$ 并在 $[-\pi, \pi]$ 上取定积分: $$A = \int_{-\pi}^\pi \frac{x\sin x}{1+\cos^2 x}\,\mathrm{d}x - A\underbrace{\int_{-\pi}^\pi \sin x\,\mathrm{d}x}_{=0}$$ 由于 $\dfrac{x\sin x}{1+\cos^2 x}$ 为偶函数,结合区间再现公式(或换元 $x = \pi - t$):

\begin{aligned} A &= 2\int_0^\pi\frac{x\sin x}{1+\cos^2x},\mathrm{d}x = 2 \cdot \frac{\pi}{2}\int_0^\pi\frac{\sin x}{1+\cos^2x},\mathrm{d}x\ &= \pi\left[ -\arctan(\cos x) \right]_0^\pi = \pi\left( \frac{\pi}{4} - \left(-\frac{\pi}{4}\right) \right) = \frac{\pi^2}{2} \end{aligned}

代回得: $$f(x)=\frac{x}{1+\cos^2x}-\frac{\pi^2}{2}$$ > 💡 **【笔记】 判据提炼** > > 本题的关键选择是"**两端乘什么**":因为待定常数 $A$ 的定义里带了因子 $\sin x$,所以两端乘 $\sin x$ 才能让左端重新凑出 $A$。一般规则是——**乘上该积分定义中的权重函数**。中间用到的 $2\cdot\dfrac{\pi}{2}$ 正是区间再现消 $x$ 的推论(见第八节)。 > 💡 **【经典例题】 例 3.50|偶函数与平移定积分** > > 设连续函数 $f(x)$ 满足 > $$f(x)=\frac{x^2}{(1+x^2)^2} + \frac1{1+x^2}\int_0^1f(x)\,\mathrm{d}x + \int_{-1}^1f(x)\,\mathrm{d}x,$$ > 求 $\displaystyle\int_1^3f(x-2)\,\mathrm{d}x$。 **【解】** 1. **分析奇偶性**:方程右端各项均为 $x$ 的偶函数,故 $f(x)$ 为偶函数,从而 $\displaystyle\int_{-1}^1 f(x)\,\mathrm{d}x = 2\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x$。 2. **设常数求解**:令 $a=\displaystyle\int_0^1f(x)\,\mathrm{d}x$,方程化为: $$f(x)=\frac{x^2}{(1+x^2)^2}+\frac a{1+x^2}+2a$$ 两端在 $[0,1]$ 上积分: $$a = \int_0^1\frac{x^2}{(1+x^2)^2}\,\mathrm{d}x + a\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{1+x^2} + 2a\int_0^1 1\,\mathrm{d}x$$ 其中令 $x = \tan\theta$: $$\int_0^1\frac{x^2}{(1+x^2)^2}\,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/4}\sin^2\theta\,\mathrm{d}\theta = \left[ \frac{\theta}{2} - \frac{\sin 2\theta}{4} \right]_0^{\pi/4} = \frac{\pi}{8} - \frac{1}{4}$$ 代入方程: $$a = \left(\frac{\pi}{8} - \frac{1}{4}\right) + a\left(\frac{\pi}{4}\right) + 2a \implies a\left(1 + \frac{\pi}{4}\right) = \frac{2-\pi}{8} \implies a = \frac{2-\pi}{8+2\pi}$$ 3. **平移求值**:令 $t = x-2$, $$\int_1^3f(x-2)\,\mathrm{d}x = \int_{-1}^1f(t)\,\mathrm{d}t = 2a = \frac{2-\pi}{4+\pi}$$ > 💡 **【笔记】 判据提炼** > > 本题是"设常数法 + 奇偶性降元"的组合:定积分限 $[-1,1]$ 与 $[0,1]$ 不统一,先用偶函数把前者折成 $2a$,未知数从两个降为一个。**最后一步的平移换元是常规动作**:任何 $\displaystyle\int f(x-c)\,\mathrm{d}x$ 都先平移到以原点为中心再判断奇偶性。 > 💡 **【经典例题】 例 3.50.1|多个定积分联立方程组** > > 设 > $$f(x) = 3x^2 + g(x) - \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x, \qquad g(x) = 4x - f(x) + 2\int_0^1 g(x)\,\mathrm{d}x,$$ > 求 $f(x)$ 与 $g(x)$ 的表达式。 **【解】** 令 $A=\displaystyle\int_0^1f(x)\,\mathrm{d}x$,$B=\displaystyle\int_0^1g(x)\,\mathrm{d}x$。整理原式:

\begin{cases} f(x) - g(x) = 3x^2 - A\ f(x) + g(x) = 4x + 2B \end{cases}

两端分别在 $[0,1]$ 上积分:

\begin{cases} A - B = \displaystyle\int_0^1 3x^2,\mathrm{d}x - A = 1 - A \implies 2A - B = 1\ A + B = \displaystyle\int_0^1 4x,\mathrm{d}x + 2B = 2 + 2B \implies A - B = 2 \end{cases}

联立解得 $A = -1,\ B = -3$。代回原方程组:

\begin{cases} f(x) - g(x) = 3x^2 + 1\ f(x) + g(x) = 4x - 6 \end{cases} \implies \begin{cases} f(x) = \dfrac{1}{2}(3x^2 + 4x - 5)\ g(x) = \dfrac{1}{2}(4x - 3x^2 - 7) \end{cases}

> 💡 **【笔记】 判据提炼** > > 两个未知函数就用 $A,B$ 两个常数:先把原式整理成 $f\pm g$ 的线性组合,再逐式积分,得到 $A,B$ 的二元一次方程组。**顺序不能颠倒**——必须先把 $f\pm g$ 解成显式,再积分,否则方程组里仍混着未知函数。 > 💡 **【经典例题】 例 3.50.2|结合一阶微分方程的定积分常数模型(26 超越)** > > 设可导函数 $f(x)$ 满足 > $$f'(x) = \frac{1}{x}f(x) + \int_1^e f(x)\,\mathrm{d}x, \qquad f(1) = 1,$$ > 求 $\displaystyle\int_1^ef(x)\,\mathrm{d}x$。 **【解】** 令 $a=\displaystyle\int_1^ef(x)\,\mathrm{d}x$,原方程转化为一阶线性非齐次微分方程: $$f'(x) - \frac{1}{x}f(x) = a$$ 利用通解公式求解: $$f(x) = e^{\int \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x}\left( \int a e^{-\int \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x}\,\mathrm{d}x + C \right) = x(a\ln x + C)$$ 由初值条件 $f(1) = 1 \implies 1(0 + C) = 1 \implies C = 1$,故 $f(x) = x(a\ln x + 1)$。 两端在 $[1, e]$ 上取定积分: $$a = \int_1^e x(a\ln x + 1)\,\mathrm{d}x = a\int_1^e x\ln x\,\mathrm{d}x + \int_1^e x\,\mathrm{d}x$$ 分部积分计算: - $\displaystyle\int_1^e x\ln x\,\mathrm{d}x = \left[ \frac{1}{2}x^2\ln x \right]_1^e - \int_1^e \frac{1}{2}x\,\mathrm{d}x = \frac{e^2}{2} - \frac{e^2-1}{4} = \frac{e^2+1}{4}$ - $\displaystyle\int_1^e x\,\mathrm{d}x = \frac{e^2-1}{2}$ 代入建立关于 $a$ 的线性方程: $$a = a\left(\frac{e^2+1}{4}\right) + \frac{e^2-1}{2} \implies a\left(\frac{3-e^2}{4}\right) = \frac{e^2-1}{2}$$ 解得: $$a = \frac{2e^2-2}{3-e^2}$$ > 💡 **【笔记】 判据提炼** > > 判断依据:方程中**同时出现 $f'$ 与 $x$ 的混合项**(这里是 $\dfrac1x f$),说明它是微分方程而不是纯函数方程,此时设常数法只负责"把积分抹成参数 $a$",真正的求解交给通解公式。**注意最后一步解 $a$ 时系数 $3-e^2\ne0$**,所以可以直接除;这类题要先确认系数不为零(这里 $e^2\approx7.39>3$)。 --- ## 五、 含绝对值的定积分 > 💡 **【METHOD】 含绝对值定积分的处理法则** > > 1. **分清主从变量**:对 $t$ 积分时,$x$ 视作常数; > 2. **找零点分段**:令绝对值内部为 $0$ 求出分界点,根据外层变量 $x$ 所在区间分段拆分积分区间去绝对值。 ![3.2.2_06_绝对值分段积分数轴模型.png](/images/kaoyan/3.2.2_06_%E7%BB%9D%E5%AF%B9%E5%80%BC%E5%88%86%E6%AE%B5%E7%A7%AF%E5%88%86%E6%95%B0%E8%BD%B4%E6%A8%A1%E5%9E%8B.png) > 💡 **【重点关注】 判断依据|分界点在区间内还是区间外** > > - **判断依据**:把绝对值零点与**积分区间**(而非整个定义域)比较。零点在区间之外时无需分段,可直接去绝对值(整段同号);零点在区间之内时才需拆分。 > - **使用条件**:若积分上限含参数 $x$,则分段的分界由"$x$ 落在零点的哪一侧"决定,因此最终结果是**关于 $x$ 的分段函数**,而且必须单独验证分界点处分段表达式是否衔接(连续性与可导性)。 > - **注意点**:分段求出的 $F(x)$ 在分界点处一般只保证连续,不保证可导。要求 $F'(x)$ 时,若两段解析式的左、右导数不相等,则 $F'$ 在该点不存在(这正对应第一节中"被积函数有第一类间断点时变上限积分不可导")。 > 💡 **【经典例题】 例 3.51|李林 880** > > 计算分段变限积分 $\displaystyle F(x)=\int_{-1}^x(1-|t|)\,\mathrm{d}t \quad (x\ge-1)$。 **【解】** 绝对值零点为 $t=0$。按上限 $x$ 的取值范围讨论: - 当 $-1 \le x < 0$ 时,$t \in [-1, x] \le 0 \implies |t| = -t$: $$F(x) = \int_{-1}^x(1+t)\,\mathrm{d}t = \left[ t + \frac{1}{2}t^2 \right]_{-1}^x = \left(x+\frac{1}{2}x^2\right) - \left(-1+\frac{1}{2}\right) = \frac{(1+x)^2}{2}$$ - 当 $x \ge 0$ 时,拆分成两段: $$F(x) = \int_{-1}^0(1+t)\,\mathrm{d}t + \int_0^x(1-t)\,\mathrm{d}t = \frac{1}{2} + \left[ t - \frac{1}{2}t^2 \right]_0^x = 1 - \frac{1}{2}(1-x)^2$$ 综上所述: $$F(x) = \begin{cases} \dfrac{(1+x)^2}{2}, & -1\le x<0,\\ 1-\dfrac12(1-x)^2, & x\ge0. \end{cases}

【解】

  1. 去绝对值表示 f(x)f(x):
    • 当 0<x<10 < x < 1 时,积分区间内部存在分界点 t=xt = x: f(x)=∫0x(x2−t2) dt+∫x1(t2−x2) dt=(x3−13x3)+[(13−x2)−(13x3−x3)]=43x3−x2+13\begin{aligned} f(x) &= \int_0^x(x^2-t^2)\,\mathrm{d}t + \int_x^1(t^2-x^2)\,\mathrm{d}t\\ &= \left(x^3 - \frac{1}{3}x^3\right) + \left[ \left(\frac{1}{3} - x^2\right) - \left(\frac{1}{3}x^3 - x^3\right) \right]\\ &= \frac{4}{3}x^3 - x^2 + \frac{1}{3} \end{aligned}
- 当 $x \ge 1$ 时,对所有 $t \in [0,1]$ 均有 $t^2 \le x^2$: $$f(x) = \int_0^1(x^2-t^2)\,\mathrm{d}t = x^2 - \frac{1}{3}$$ 2. **求导数 $f'(x)$**: - 当 $0 < x < 1$ 时,$f'(x) = 4x^2 - 2x$; - 当 $x > 1$ 时,$f'(x) = 2x$; - 分界点 $x=1$ 处:$f'_-(1) = 4(1)^2 - 2(1) = 2$,$f'_+(1) = 2(1) = 2$,故 $f'(1) = 2$。 $$f'(x) = \begin{cases} 4x^2-2x, & 0<x<1,\\ 2x, & x\ge1. \end{cases}
  1. 求极值与最小值: 在 (0,1)(0,1) 内令 f′(x)=2x(2x−1)=0  ⟹  x=12f'(x) = 2x(2x-1) = 0 \implies x = \dfrac{1}{2}。
    • 当 x∈(0,12)x \in \left(0, \frac{1}{2}\right) 时,f′(x)<0f'(x) < 0(单调递减);
    • 当 x∈(12,+∞)x \in \left(\frac{1}{2}, +\infty\right) 时,f′(x)>0f'(x) > 0(单调递增)。 故 x=12x = \dfrac{1}{2} 为全局唯一定点极小值点,最小值为: f(12)=43(18)−(14)+13=14f\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{4}{3}\left(\frac{1}{8}\right) - \left(\frac{1}{4}\right) + \frac{1}{3} = \frac{1}{4}

【答案】 A

【解析】 由于 f′(x)>0f'(x)>0,f(x)f(x) 在 [0,1][0,1] 上严格单调递增:

  • 当 t∈[0,x]t \in [0,x] 时,f(t)≤f(x)  ⟹  ∣f(x)−f(t)∣=f(x)−f(t)f(t) \le f(x) \implies |f(x)-f(t)| = f(x)-f(t);
  • 当 t∈[x,1]t \in [x,1] 时,f(t)≥f(x)  ⟹  ∣f(x)−f(t)∣=f(t)−f(x)f(t) \ge f(x) \implies |f(x)-f(t)| = f(t)-f(x)。

拆分积分: F(x)=∫0x[f(x)−f(t)] dt+∫x1[f(t)−f(x)] dt=xf(x)−∫0xf(t) dt+∫x1f(t) dt−(1−x)f(x)F(x)=\int_0^x[f(x)-f(t)]\,\mathrm{d}t + \int_x^1[f(t)-f(x)]\,\mathrm{d}t = xf(x) - \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t + \int_x^1 f(t)\,\mathrm{d}t - (1-x)f(x) 求导得:

F′(x)=f(x)+xf′(x)−f(x)−f(x)+f(x)−(1−x)f′(x)=(2x−1)f′(x)\begin{aligned} F'(x) &= f(x) + xf'(x) - f(x) - f(x) + f(x) - (1-x)f'(x)\\ &= (2x-1)f'(x) \end{aligned}

由 f′(x)>0f'(x)>0:

  • 当 x∈(0,12)x \in \left(0, \frac{1}{2}\right) 时,2x−1<0  ⟹  F′(x)<02x-1<0 \implies F'(x)<0(单调递减);
  • 当 x∈(12,1)x \in \left(\frac{1}{2}, 1\right) 时,2x−1>0  ⟹  F′(x)>02x-1>0 \implies F'(x)>0(单调递增)。

因此 x=12x=\dfrac{1}{2} 是 F(x)F(x) 在 [0,1][0,1] 上的唯一最小值点,恒有 F(x)≥F(1/2)F(x)\ge F(1/2)。选 A。


六、 无根号条件下的三角代换技巧

【解】 令 x=3tan⁡tx = \sqrt{3}\tan t(t∈[0,π/2)t \in [0, \pi/2)),则 dx=3sec⁡2t dt\mathrm{d}x = \sqrt{3}\sec^2 t\,\mathrm{d}t,x2+3=3sec⁡2tx^2+3 = 3\sec^2 t:

∫0+∞dx(x2+3)2=∫0π/23sec⁡2t(3sec⁡2t)2 dt=39∫0π/21sec⁡2t dt=39∫0π/2cos⁡2t dt=39⋅(12⋅π2)=3π36\begin{aligned} \int_0^{+\infty}\frac{\mathrm{d}x}{(x^2+3)^2} &= \int_0^{\pi/2}\frac{\sqrt{3}\sec^2 t}{(3\sec^2 t)^2}\,\mathrm{d}t = \frac{\sqrt{3}}{9}\int_0^{\pi/2}\frac{1}{\sec^2 t}\,\mathrm{d}t\\ &= \frac{\sqrt{3}}{9}\int_0^{\pi/2}\cos^2 t\,\mathrm{d}t = \frac{\sqrt{3}}{9} \cdot \left(\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2}\right) = \frac{\sqrt{3}\pi}{36} \end{aligned}

【解】 利用偶函数性质并作三角代换 x=tan⁡tx = \tan t: an=2∫0+∞dx(1+x2)n=2∫0π/2sec⁡2tsec⁡2nt dt=2∫0π/2cos⁡2n−2t dta_n = 2\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm{d}x}{(1+x^2)^n} = 2\int_0^{\pi/2}\frac{\sec^2 t}{\sec^{2n} t}\,\mathrm{d}t = 2\int_0^{\pi/2}\cos^{2n-2} t\,\mathrm{d}t 同理: an+1=2∫0π/2cos⁡2nt dta_{n+1} = 2\int_0^{\pi/2}\cos^{2n} t\,\mathrm{d}t 由点火公式的递推性质:∫0π/2cos⁡2nt dt=2n−12n∫0π/2cos⁡2n−2t dt\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^{2n} t\,\mathrm{d}t = \frac{2n-1}{2n}\int_0^{\pi/2}\cos^{2n-2} t\,\mathrm{d}t,直接得出: an+1an=2n−12n\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{2n-1}{2n}


七、 一题多解:定积分与变限积分的相互转化

【答案】 12\dfrac{1}{2}

【解析】

方法一:待定系数法(解出函数) 由差分 f(x+2)−f(x)=xf(x+2)-f(x)=x 可设 f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2+bx+c 为二次多项式: f(x+2)−f(x)=a(x+2)2+b(x+2)+c−(ax2+bx+c)=4ax+4a+2b=xf(x+2)-f(x) = a(x+2)^2+b(x+2)+c - (ax^2+bx+c) = 4ax + 4a + 2b = x 比较系数得 a=14,b=−12a = \dfrac{1}{4}, b = -\dfrac{1}{2}。由 ∫02f(x) dx=0\displaystyle\int_0^2 f(x)\,\mathrm{d}x = 0: ∫02(14x2−12x+c)dx=[112x3−14x2+cx]02=23−1+2c=0  ⟹  c=16\int_0^2\left(\frac{1}{4}x^2-\frac{1}{2}x+c\right)\mathrm{d}x = \left[ \frac{1}{12}x^3 - \frac{1}{4}x^2 + cx \right]_0^2 = \frac{2}{3} - 1 + 2c = 0 \implies c = \frac{1}{6} 故 f(x)=14x2−12x+16f(x) = \dfrac{1}{4}x^2 - \dfrac{1}{2}x + \dfrac{1}{6},直接积分: ∫13f(x) dx=[112x3−14x2+16x]13=12\int_1^3 f(x)\,\mathrm{d}x = \left[ \frac{1}{12}x^3 - \frac{1}{4}x^2 + \frac{1}{6}x \right]_1^3 = \frac{1}{2}

方法二:区间拆分与差分积分 在 [0,1][0,1] 上对差分方程两端积分: ∫01[f(x+2)−f(x)] dx=∫01x dx=12\int_0^1[f(x+2)-f(x)]\,\mathrm{d}x = \int_0^1 x\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} 左端令 t=x+2t = x+2 换元得 ∫23f(x) dx−∫01f(x) dx=12\displaystyle\int_2^3 f(x)\,\mathrm{d}x - \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}。 两边同加上 ∫12f(x) dx\displaystyle\int_1^2 f(x)\,\mathrm{d}x: ∫12f(x) dx+∫23f(x) dx⏟∫13f(x) dx−(∫01f(x) dx+∫12f(x) dx)⏟∫02f(x) dx=0=12  ⟹  ∫13f(x) dx=12\underbrace{\int_1^2 f(x)\,\mathrm{d}x + \int_2^3 f(x)\,\mathrm{d}x}_{\int_1^3 f(x)\,\mathrm{d}x} - \underbrace{\left(\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x + \int_1^2 f(x)\,\mathrm{d}x\right)}_{\int_0^2 f(x)\,\mathrm{d}x = 0} = \frac{1}{2} \implies \int_1^3 f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}

方法三:构造变限积分函数(最简) 构造跨度为 2 的变限积分: F(x)=∫xx+2f(t) dtF(x)=\int_x^{x+2}f(t)\,\mathrm{d}t 对 xx 求导:F′(x)=f(x+2)−f(x)=xF'(x) = f(x+2)-f(x) = x。 积分得 F(x)=12x2+CF(x) = \dfrac{1}{2}x^2 + C。由题设 F(0)=∫02f(t) dt=0  ⟹  C=0F(0) = \displaystyle\int_0^2 f(t)\,\mathrm{d}t = 0 \implies C = 0,故 F(x)=12x2F(x) = \dfrac{1}{2}x^2。 因此: ∫13f(x) dx=F(1)=12(1)2=12\int_1^3f(x)\,\mathrm{d}x = F(1) = \frac{1}{2}(1)^2 = \frac{1}{2}

【答案】 π2−2\pi^2 - 2

【解析】

方法一:分段递推求显式表达式

  • 当 x∈[π,2π)x\in[\pi,2\pi) 时,x−π∈[0,π)  ⟹  f(x)=f(x−π)+sin⁡x=x−π+sin⁡xx-\pi\in[0,\pi) \implies f(x) = f(x-\pi)+\sin x = x-\pi+\sin x;
  • 当 x∈[2π,3π)x\in[2\pi,3\pi) 时,x−π∈[π,2π)  ⟹  f(x)=(x−π−π+sin⁡(x−π))+sin⁡x=x−2π−sin⁡x+sin⁡x=x−2πx-\pi\in[\pi,2\pi) \implies f(x) = (x-\pi-\pi+\sin(x-\pi))+\sin x = x-2\pi-\sin x+\sin x = x-2\pi。

分段积分:

∫π3πf(x) dx=∫π2π(x−π+sin⁡x) dx+∫2π3π(x−2π) dx=[(x−π)22−cos⁡x]π2π+[(x−2π)22]2π3π=(π22−1−(0+1))+π22=π2−2\begin{aligned} \int_\pi^{3\pi}f(x)\,\mathrm{d}x &= \int_\pi^{2\pi}(x-\pi+\sin x)\,\mathrm{d}x + \int_{2\pi}^{3\pi}(x-2\pi)\,\mathrm{d}x\\ &= \left[ \frac{(x-\pi)^2}{2} - \cos x \right]_\pi^{2\pi} + \left[ \frac{(x-2\pi)^2}{2} \right]_{2\pi}^{3\pi}\\ &= \left( \frac{\pi^2}{2} - 1 - (0 + 1) \right) + \frac{\pi^2}{2} = \pi^2 - 2 \end{aligned}

方法二:构造变限积分函数法 构造跨度为 π\pi 的变限积分: F(x)=∫x−πxf(t) dtF(x)=\int_{x-\pi}^x f(t)\,\mathrm{d}t 求导:F′(x)=f(x)−f(x−π)=sin⁡x  ⟹  F(x)=−cos⁡x+CF'(x) = f(x)-f(x-\pi) = \sin x \implies F(x) = -\cos x + C。 由初值:F(π)=∫0πt dt=π22  ⟹  −cos⁡π+C=1+C=π22  ⟹  C=π22−1F(\pi) = \displaystyle\int_0^\pi t\,\mathrm{d}t = \frac{\pi^2}{2} \implies -\cos\pi + C = 1+C = \frac{\pi^2}{2} \implies C = \frac{\pi^2}{2}-1。 故 F(x)=−cos⁡x+π22−1F(x) = -\cos x + \dfrac{\pi^2}{2} - 1。 拆分所求积分: ∫π3πf(x) dx=F(2π)+F(3π)=(−1+π22−1)+(1+π22−1)=π2−2\int_\pi^{3\pi}f(x)\,\mathrm{d}x = F(2\pi) + F(3\pi) = \left(-1 + \frac{\pi^2}{2}-1\right) + \left(1 + \frac{\pi^2}{2}-1\right) = \pi^2 - 2


八、 区间再现公式及其推论(核心技巧)

3.2.2_07_区间再现公式及对称性质几何图解.png

【答案】 π2\dfrac{\pi}{2}

【解析】

方法一(区间再现推论): 设 g(x)=2x−x2g(x) = \sqrt{2x-x^2},区间为 [0,2][0,2](a+b=2a+b=2)。 由于 g(2−x)=2(2−x)−(2−x)2=2x−x2=g(x)g(2-x) = \sqrt{2(2-x)-(2-x)^2} = \sqrt{2x-x^2} = g(x),由推论直接提取因子: ∫02x2x−x2 dx=0+22∫022x−x2 dx=1⋅(12π(1)2)=π2\int_0^2x\sqrt{2x-x^2}\,\mathrm{d}x = \frac{0+2}{2}\int_0^2\sqrt{2x-x^2}\,\mathrm{d}x = 1 \cdot \left(\frac{1}{2}\pi (1)^2\right) = \frac{\pi}{2}

方法二(配方与三角代换通法): 令 x−1=sin⁡tx-1 = \sin t(t∈[−π/2,π/2]t\in [-\pi/2, \pi/2]): ∫02x1−(x−1)2 dx=∫−π/2π/2(1+sin⁡t)cos⁡2t dt=∫−π/2π/2cos⁡2t dt+0=2(12⋅π2)=π2\int_0^2 x\sqrt{1-(x-1)^2}\,\mathrm{d}x = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}(1+\sin t)\cos^2 t\,\mathrm{d}t = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^2 t\,\mathrm{d}t + 0 = 2\left(\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2}\right) = \frac{\pi}{2}

【推导与证明】

  1. 设 g(x)=∣sin⁡x∣g(x) = |\sin x|,区间为 [0,nπ][0, n\pi]。 g(nπ−x)=∣sin⁡(nπ−x)∣=∣sin⁡x∣=g(x)g(n\pi-x) = |\sin(n\pi-x)| = |\sin x| = g(x)。 由区间再现推论: ∫0nπx∣sin⁡x∣ dx=nπ2∫0nπ∣sin⁡x∣ dx=nπ2⋅n∫0πsin⁡x dx=nπ2⋅2n=n2π\int_0^{n\pi}x|\sin x|\,\mathrm{d}x = \frac{n\pi}{2}\int_0^{n\pi}|\sin x|\,\mathrm{d}x = \frac{n\pi}{2} \cdot n\int_0^\pi \sin x\,\mathrm{d}x = \frac{n\pi}{2} \cdot 2n = n^2\pi
  2. 同理,∣cos⁡(nπ−x)∣=∣±cos⁡x∣=∣cos⁡x∣|\cos(n\pi-x)| = |\pm\cos x| = |\cos x|: ∫0nπx∣cos⁡x∣ dx=nπ2∫0nπ∣cos⁡x∣ dx=nπ2⋅n(2)=n2π\int_0^{n\pi}x|\cos x|\,\mathrm{d}x = \frac{n\pi}{2}\int_0^{n\pi}|\cos x|\,\mathrm{d}x = \frac{n\pi}{2} \cdot n(2) = n^2\pi

3.2.2_08_例3.58_周期绝对值三角函数波形图.png

【解】 令 x=−tx = -t(a+b=0a+b = 0): I=∫π/2−π/2e−t1+e−tsin⁡4(−t) (−dt)=∫−π/2π/211+etsin⁡4t dtI = \int_{\pi/2}^{-\pi/2}\frac{e^{-t}}{1+e^{-t}}\sin^4(-t)\,(-\mathrm{d}t) = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\frac{1}{1+e^t}\sin^4t\,\mathrm{d}t 将两式相加(哑变量统一为 xx): 2I=∫−π/2π/2(ex1+ex+11+ex)sin⁡4x dx=∫−π/2π/2sin⁡4x dx2I = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\left(\frac{e^x}{1+e^x} + \frac{1}{1+e^x}\right)\sin^4 x\,\mathrm{d}x = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\sin^4 x\,\mathrm{d}x 利用偶倍及点火公式: I=∫0π/2sin⁡4x dx=34⋅12⋅π2=3π16I = \int_0^{\pi/2}\sin^4x\,\mathrm{d}x = \frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{3\pi}{16}


九、 含参量 nn 的定积分与极限

【答案】 00

【解析】 利用分部积分法(表格法)计算原函数: ∫01e−xsin⁡nx dx=[e−x(−ncos⁡nx−sin⁡nx)1+n2]01=n−e−1(ncos⁡n+sin⁡n)1+n2\int_0^1e^{-x}\sin nx\,\mathrm{d}x = \left[ \frac{e^{-x}(-n\cos nx - \sin nx)}{1+n^2} \right]_0^1 = \frac{n - e^{-1}(n\cos n + \sin n)}{1+n^2} 当 n→∞n\to\infty 时,分子最高为 O(n)O(n),分母为 O(n2)O(n^2),故: lim⁡n→∞∫01e−xsin⁡nx dx=lim⁡n→∞n−e−1(ncos⁡n+sin⁡n)1+n2=0\lim_{n\to\infty}\int_0^1e^{-x}\sin nx\,\mathrm{d}x = \lim_{n\to\infty}\frac{n - e^{-1}(n\cos n + \sin n)}{1+n^2} = 0

【答案】 B

【解析】 凑微分 d(xn)=nxn−1 dx\mathrm{d}(x^n) = n x^{n-1}\,\mathrm{d}x:

an=32n∫0n/(n+1)1+xn d(xn)=32n[23(1+xn)3/2]0n/(n+1)=1n{[1+(nn+1)n]3/2−1}\begin{aligned} a_n &= \frac{3}{2n}\int_0^{n/(n+1)}\sqrt{1+x^n}\,\mathrm{d}(x^n) = \frac{3}{2n}\left[ \frac{2}{3}(1+x^n)^{3/2} \right]_0^{n/(n+1)}\\ &= \frac{1}{n}\left\{ \left[ 1 + \left(\frac{n}{n+1}\right)^n \right]^{3/2} - 1 \right\} \end{aligned}

两边同乘 nn 并取极限(利用重要极限 lim⁡n→∞(nn+1)n=e−1\lim_{n\to\infty} \left(\dfrac{n}{n+1}\right)^n = e^{-1}): lim⁡n→∞nan=lim⁡n→∞{[1+(nn+1)n]3/2−1}=(1+e−1)3/2−1\lim_{n\to\infty}na_n = \lim_{n\to\infty}\left\{ \left[ 1 + \left(\frac{n}{n+1}\right)^n \right]^{3/2} - 1 \right\} = (1+e^{-1})^{3/2}-1 选 B。

【解析】

方法一(夹逼准则): 在 [0,1][0,1] 上,1≤1+x2≤21 \le \sqrt{1+x^2} \le \sqrt{2},乘上 xn≥0x^n \ge 0 得: ∫01xn dx≤∫01xn1+x2 dx≤2∫01xn dx\int_0^1 x^n\,\mathrm{d}x \le \int_0^1 x^n\sqrt{1+x^2}\,\mathrm{d}x \le \sqrt{2}\int_0^1 x^n\,\mathrm{d}x 即: 1n+1≤∫01xn1+x2 dx≤2n+1\frac{1}{n+1} \le \int_0^1 x^n\sqrt{1+x^2}\,\mathrm{d}x \le \frac{\sqrt{2}}{n+1} 由两端极限 lim⁡n→∞1n+1=0,lim⁡n→∞2n+1=0\lim_{n\to\infty}\dfrac{1}{n+1} = 0, \lim_{n\to\infty}\dfrac{\sqrt{2}}{n+1} = 0,由夹逼准则: lim⁡n→∞∫01xn1+x2 dx=0\lim_{n\to\infty}\int_0^1x^n\sqrt{1+x^2}\,\mathrm{d}x = 0

方法二(积分第一中值定理): 因为 1+x2\sqrt{1+x^2} 连续,xn≥0x^n \ge 0 不变号,由积分第一中值定理: ∫01xn1+x2 dx=1+ξn2∫01xn dx=1+ξn2n+1(0<ξn<1)\int_0^1x^n\sqrt{1+x^2}\,\mathrm{d}x = \sqrt{1+\xi_n^2}\int_0^1 x^n\,\mathrm{d}x = \frac{\sqrt{1+\xi_n^2}}{n+1} \quad (0 < \xi_n < 1) 由于因子 1+ξn2∈[1,2]\sqrt{1+\xi_n^2} \in [1, \sqrt{2}] 有界,1n+1→0\dfrac{1}{n+1} \to 0,有界量乘无穷小量等于无穷小量,极限为 00。


十、 区间平移法巧解含绝对值三角函数积分

【解析】

方法一:分段区间平移 + 等比数列求和 零点为 kπ (k=0,1,…,n)k\pi\ (k=0,1,\dots,n),将 [0,nπ][0, n\pi] 拆分成 nn 段: Sn=∑k=0n−1∫kπ(k+1)πe−x∣sin⁡x∣ dxS_n = \sum_{k=0}^{n-1}\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}e^{-x}|\sin x|\,\mathrm{d}x 对第 kk 段作区间平移换元,令 t=x−kπt = x - k\pi(t∈[0,π]t \in [0, \pi]):

Sn=∑k=0n−1e−kπ∫0πe−t∣sin⁡(t+kπ)∣ dt=∑k=0n−1e−kπ∫0πe−tsin⁡t dt\begin{aligned} S_n &= \sum_{k=0}^{n-1}e^{-k\pi}\int_0^\pi e^{-t}|\sin(t+k\pi)|\,\mathrm{d}t\\ &= \sum_{k=0}^{n-1}e^{-k\pi}\int_0^\pi e^{-t}\sin t\,\mathrm{d}t \end{aligned}

计算基准单周期积分: ∫0πe−tsin⁡t dt=[e−t(−sin⁡t−cos⁡t)2]0π=1+e−π2\int_0^\pi e^{-t}\sin t\,\mathrm{d}t = \left[ \frac{e^{-t}(-\sin t-\cos t)}{2} \right]_0^\pi = \frac{1+e^{-\pi}}{2} 代入等比数列求和公式(公比 q=e−πq = e^{-\pi}): Sn=1+e−π2∑k=0n−1e−kπ=1+e−π2⋅1−e−nπ1−e−π=(1+e−π)(1−e−nπ)2(1−e−π)S_n = \frac{1+e^{-\pi}}{2}\sum_{k=0}^{n-1}e^{-k\pi} = \frac{1+e^{-\pi}}{2} \cdot \frac{1-e^{-n\pi}}{1-e^{-\pi}} = \frac{(1+e^{-\pi})(1-e^{-n\pi})}{2(1-e^{-\pi})} 取极限得: lim⁡n→∞Sn=1+e−π2(1−e−π)\lim_{n\to\infty}S_n = \frac{1+e^{-\pi}}{2(1-e^{-\pi})}

方法二:自相似性与代数方程法(直接求总面积) 对于数一总面积 S=∫0+∞e−x∣sin⁡x∣ dxS = \displaystyle\int_0^{+\infty}e^{-x}|\sin x|\,\mathrm{d}x: 将第一个周期 [0,π][0,\pi] 与其余部分 [π,+∞)[\pi, +\infty) 拆开: S=∫0πe−xsin⁡x dx+∫π+∞e−x∣sin⁡x∣ dxS = \int_0^\pi e^{-x}\sin x\,\mathrm{d}x + \int_\pi^{+\infty}e^{-x}|\sin x|\,\mathrm{d}x 后半段令 t=x−πt = x-\pi: ∫π+∞e−x∣sin⁡x∣ dx=e−π∫0+∞e−t∣sin⁡t∣ dt=e−πS\int_\pi^{+\infty}e^{-x}|\sin x|\,\mathrm{d}x = e^{-\pi}\int_0^{+\infty}e^{-t}|\sin t|\,\mathrm{d}t = e^{-\pi}S 从而建立一元一次方程: S=1+e−π2+e−πS  ⟹  (1−e−π)S=1+e−π2S = \frac{1+e^{-\pi}}{2} + e^{-\pi}S \implies (1-e^{-\pi})S = \frac{1+e^{-\pi}}{2} 直接解得: S=1+e−π2(1−e−π)S = \frac{1+e^{-\pi}}{2(1-e^{-\pi})}

3.2.2_09_例3.63_衰减正弦波形与区间平移求解.png


易错点

我的总结

  • 定积分计算题我按”先看区间、再看被积函数”的顺序定位方法:区间对称就想偶倍奇零,区间是周期的整数倍就想周期性质,区间含 ±∞\pm\infty 就考虑正切代换,区间相同、只求数值则看能否用几何面积或区间再现。
  • 三条”结构触发”我最常用:① x⋅g(x)x\cdot g(x) 且 gg 关于中点对称 → 区间再现消 xx;② ex1+ex\dfrac{e^x}{1+e^x} 或 sin⁡nxsin⁡nx+cos⁡nx\dfrac{\sin^nx}{\sin^nx+\cos^nx} → 换元相加化 11;③ 二次式开方 → 圆面积或三角代换。
  • “定积分是常数”模型有一个固定的判断题:方程里的积分限是否含 xx。含 xx 是变限积分(求导),不含 xx 才是常数(设 AA 解方程)。例 3.50 那种限不统一的情况,先用奇偶性折半降元再设常数。
  • 含绝对值的题分两类:xx 在被积函数外(例 3.51)分段简单,xx 在被积函数内(例 3.52、3.53)必须先拆成显式再求导,而且分界点要看零点与积分区间的相对位置。
  • 含参量 nn 的题,我的检查清单是:能积出就积出比阶;出现 xn−1x^{n-1} 就凑 d(xn)\mathrm{d}(x^n);积不出就找”无穷小 × 有界”夹逼;用中值定理时只提取连续平缓因子,绝不提取 xnx^n。
  • 例 3.46 与 3.2.3 重复,我把它统一放在 3.2.3 的题型一下面,这里只留索引,避免两处解析不一致。

参考资料

  • 考研数学历年真题(年份与卷种随题标注:2014 数一、2016 数二、2018 数一、1991 全国、2012 数一、2009 数二、2003、2023 数一/数二、2019 数一/数二/数三)
  • 常见考研数学教材与辅导资料
  • 本人课程学习笔记;其中「区间再现公式及其消因子推论」与「无根号条件下的正切代换 + 点火公式」两处表述参考自某考研数学课程讲义
  • 李艳芳 900 题、李林 880 题、2023 李六、26 超越、武忠祥高数讲义(例题来源随题标注)

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