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Wallis 公式(点火公式)与区间再现公式专项技巧

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Wallis 公式(点火公式)与区间再现公式专项技巧


模块一:Wallis 公式(点火公式 / 华里士公式)

1. 标准公式与递推本质

💡 递推原理推导(分部积分)

通过分部积分可建立降次递推关系:

In=∫0π/2sin⁡n−1x d(−cos⁡x)=[−sin⁡n−1xcos⁡x]0π/2+(n−1)∫0π/2sin⁡n−2xcos⁡2x dx=0+(n−1)∫0π/2sin⁡n−2x(1−sin⁡2x) dx=(n−1)In−2−(n−1)In\begin{aligned} I_n &= \int_0^{\pi/2} \sin^{n-1} x\,\mathrm{d}(-\cos x) \\ &= \left[ -\sin^{n-1} x\cos x \right]_0^{\pi/2} + (n-1)\int_0^{\pi/2} \sin^{n-2} x\cos^2 x\,\mathrm{d}x \\ &= 0 + (n-1)\int_0^{\pi/2} \sin^{n-2} x(1-\sin^2 x)\,\mathrm{d}x \\ &= (n-1)I_{n-2} - (n-1)I_n \end{aligned}

移项整理即得核心递推公式: In=n−1nIn−2\boxed{I_n = \frac{n-1}{n}I_{n-2}}

  • 初始项:I1=∫0π/2sin⁡x dx=1I_1 = \displaystyle\int_0^{\pi/2} \sin x\,\mathrm{d}x = 1;I0=∫0π/21 dx=π2I_0 = \displaystyle\int_0^{\pi/2} 1\,\mathrm{d}x = \frac{\pi}{2}。

2. 30 秒极速记忆口诀与高频速查表

常用高频项速查表(考场直接口算)

幂次 nn奇偶性展开计算式积分值 InI_n
n=1n=1奇数1111
n=2n=2偶数12⋅π2\frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2}π4\dfrac{\pi}{4}
n=3n=3奇数23⋅1\frac{2}{3} \cdot 123\dfrac{2}{3}
n=4n=4偶数34⋅12⋅π2\frac{3}{4} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2}3π16\dfrac{3\pi}{16}
n=5n=5奇数45⋅23⋅1\frac{4}{5} \cdot \frac{2}{3} \cdot 1815\dfrac{8}{15}
n=6n=6偶数56⋅34⋅12⋅π2\frac{5}{6} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2}5π32\dfrac{5\pi}{32}

3. 对称区间与全周期拓展(考研高频实战)

点火公式原定义在 [0,π2]\left[0, \dfrac{\pi}{2}\right] 上,结合三角函数在各象限的符号与对称性,可直接扩展至更宽区间:


4. 典型实战例题:换元后调用点火公式

【解】 令 x=atan⁡t(t∈[0,π2))x = a\tan t \quad \left(t \in \left[0, \frac{\pi}{2}\right)\right),则 dx=asec⁡2t dt\mathrm{d}x = a\sec^2 t\,\mathrm{d}t,x2+a2=a2sec⁡2tx^2+a^2 = a^2\sec^2 t: I=∫0π/2asec⁡2t dt(a2sec⁡2t)n=1a2n−1∫0π/21sec⁡2n−2t dt=1a2n−1∫0π/2cos⁡2n−2t dtI = \int_0^{\pi/2} \frac{a\sec^2 t\,\mathrm{d}t}{(a^2\sec^2 t)^n} = \frac{1}{a^{2n-1}}\int_0^{\pi/2} \frac{1}{\sec^{2n-2} t}\,\mathrm{d}t = \frac{1}{a^{2n-1}}\int_0^{\pi/2} \cos^{2n-2} t\,\mathrm{d}t 直接套用 Wallis 公式: I=1a2n−1I2n−2I = \frac{1}{a^{2n-1}} I_{2n-2} 例如当 a=1,n=2a=1, n=2 时: ∫0+∞dx(x2+1)2=I2=π4\int_0^{+\infty} \frac{\mathrm{d}x}{(x^2+1)^2} = I_2 = \frac{\pi}{4}


模块二:区间再现公式及其推论

1. 基本公式与几何本质

💡 几何本质

y=f(a+b−x)y = f(a+b-x) 是曲线 y=f(x)y = f(x) 关于垂直直线 x=a+b2x = \dfrac{a+b}{2} 进行水平镜像翻转后的图形。由于在区间 [a,b][a,b] 上的总面积不随图形左右镜像而改变,因而积分值严格相等。


2. 核心推论:消去线性因子 xx(考研第一秒杀推论)

💡 推论证明(两式相加法)

令 I=∫abx g(x) dxI = \displaystyle\int_a^b x\,g(x)\,\mathrm{d}x。 利用区间再现公式(令 x=a+b−tx = a+b-t): I=∫ab(a+b−x)g(a+b−x) dx=∫ab(a+b−x)g(x) dx=(a+b)∫abg(x) dx−II = \int_a^b (a+b-x)g(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \int_a^b (a+b-x)g(x)\,\mathrm{d}x = (a+b)\int_a^b g(x)\,\mathrm{d}x - I 移项得 2I=(a+b)∫abg(x) dx2I = (a+b)\displaystyle\int_a^b g(x)\,\mathrm{d}x,两边同除以 2 证毕!


3. 解题信号与适用场景

题型特征核心信号解题动作
信号 1:含 xx 乘积项形如 ∫abx⋅g(x) dx\displaystyle\int_a^b x \cdot g(x)\,\mathrm{d}x,且 g(x)g(x) 具有轴对称性(如三角函数、圆弧)直接套用推论将 xx 提为常数 a+b2\dfrac{a+b}{2}
信号 2:互补对称结构被积函数无法求原函数,但分子分母含 ex,sin⁡x,cos⁡xe^x, \sin x, \cos x 等对称结构令 x=a+b−tx = a+b-t,两式相加分子分母抵消为 1

4. 经典题型与真题示范

题型一:消 xx 因子秒杀定积分

【解】 设 g(x)=2x−x2g(x) = \sqrt{2x-x^2},区间为 [0,2][0,2](a+b=2a+b=2)。 检验对称性: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)。 直接由消 xx 因子推论提取: ∫02x2x−x2 dx=0+22∫022x−x2 dx=1⋅∫021−(x−1)2 dx\int_0^2 x\sqrt{2x-x^2}\,\mathrm{d}x = \frac{0+2}{2}\int_0^2 \sqrt{2x-x^2}\,\mathrm{d}x = 1 \cdot \int_0^2 \sqrt{1-(x-1)^2}\,\mathrm{d}x 由半径为 1 的上半圆几何面积: ∫022x−x2 dx=12π(1)2=π2\int_0^2 \sqrt{2x-x^2}\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\pi (1)^2 = \mathbf{\frac{\pi}{2}}


题型二:周期绝对值与区间再现组合

【解】 区间为 [0,nπ][0, n\pi],a+b=nπa+b = n\pi。 由于 ∣sin⁡(nπ−x)∣=∣sin⁡x∣|\sin(n\pi-x)| = |\sin x|,满足对称条件,直接消去 xx: I=nπ2∫0nπ∣sin⁡x∣ dx=nπ2⋅n∫0πsin⁡x dx=nπ2⋅2n=n2πI = \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 = \mathbf{n^2\pi}


题型三:互补对称结构(两式相加消去被积函数)

【解】 令 x=π2−tx = \dfrac{\pi}{2} - t: I=∫0π/2sin⁡n(π2−t)sin⁡n(π2−t)+cos⁡n(π2−t) dt=∫0π/2cos⁡nxcos⁡nx+sin⁡nx dxI = \int_0^{\pi/2} \frac{\sin^n\left(\frac{\pi}{2}-t\right)}{\sin^n\left(\frac{\pi}{2}-t\right) + \cos^n\left(\frac{\pi}{2}-t\right)}\,\mathrm{d}t = \int_0^{\pi/2} \frac{\cos^n x}{\cos^n x + \sin^n x}\,\mathrm{d}x 两式相加: 2I=∫0π/2sin⁡nx+cos⁡nxsin⁡nx+cos⁡nx dx=∫0π/21 dx=π2  ⟹  I=π42I = \int_0^{\pi/2} \frac{\sin^n x + \cos^n x}{\sin^n x + \cos^n x}\,\mathrm{d}x = \int_0^{\pi/2} 1\,\mathrm{d}x = \frac{\pi}{2} \implies \mathbf{I = \frac{\pi}{4}}


模块三:两大核武器联用综合大题模型

考研中常将 区间再现公式 与 Wallis 公式 联合考察:第一步用区间再现消去 xx 因子,第二步用点火公式一步出值。

【解】

  1. 第一步:区间再现消去 xx 设 g(x)=sin⁡3x1+cos⁡2xg(x) = \dfrac{\sin^3 x}{1+\cos^2 x},在 [0,π][0, \pi] 上 a+b=πa+b = \pi。 g(π−x)=sin⁡3(π−x)1+cos⁡2(π−x)=sin⁡3x1+(−cos⁡x)2=g(x)g(\pi-x) = \dfrac{\sin^3(\pi-x)}{1+\cos^2(\pi-x)} = \dfrac{\sin^3 x}{1+(-\cos x)^2} = g(x)。 由消 xx 因子推论: I=π2∫0πsin⁡3x1+cos⁡2x dx=π2⋅2∫0π/2sin⁡3x1+cos⁡2x dx=π∫0π/21−cos⁡2x1+cos⁡2xsin⁡x dxI = \frac{\pi}{2}\int_0^\pi \frac{\sin^3 x}{1+\cos^2 x}\,\mathrm{d}x = \frac{\pi}{2} \cdot 2\int_0^{\pi/2} \frac{\sin^3 x}{1+\cos^2 x}\,\mathrm{d}x = \pi\int_0^{\pi/2}\frac{1-\cos^2 x}{1+\cos^2 x}\sin x\,\mathrm{d}x
  2. 第二步:凑微分积分 令 u=cos⁡xu = \cos x(x=0→u=1,x=π/2→u=0x=0 \to u=1, x=\pi/2 \to u=0): I=π∫101−u21+u2 (−du)=π∫011−u21+u2 du=π∫01(21+u2−1)du=π[2arctan⁡u−u]01=π(2⋅π4−1)=π22−π\begin{aligned} I &= \pi\int_1^0 \frac{1-u^2}{1+u^2}\,(-\mathrm{d}u) = \pi\int_0^1 \frac{1-u^2}{1+u^2}\,\mathrm{d}u \\ &= \pi\int_0^1 \left(\frac{2}{1+u^2} - 1\right)\mathrm{d}u = \pi\left[ 2\arctan u - u \right]_0^1 \\ &= \pi\left( 2\cdot\frac{\pi}{4} - 1 \right) = \mathbf{\frac{\pi^2}{2} - \pi} \end{aligned}

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