区间再现公式:推导、推论与典型例题
核心技巧
区间再现公式:对积分 ∫abf(x)dx,令 x=a+b−t 换元后区间不变,得到
∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx
两大使用场景:
场景一: 被积函数形如 x⋅g(x),且 g(x) 关于区间中点 x=2a+b 对称(即 g(a+b−x)=g(x)),可直接用推论:
∫abxg(x)dx=2a+b∫abg(x)dx
场景二: 原函数不易求出时,用 x→a+b−x 换元得到另一个等值积分,两式相加消去复杂项,化为可计算的积分。
注意:考研真题从未出现过”只能用区间再现公式”的题目,了解思路即可,无需过度依赖。
一、区间再现公式
设积分区间为 [a,b],令
x=a+b−t⟹dx=−dt
当 x=a 时 t=b,当 x=b 时 t=a,故
∫abf(x)dx=∫baf(a+b−t)(−dt)=∫abf(a+b−t)dt
将虚拟变量 t 改回 x,得
∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx
二、推论:x⋅f(x) 型积分
结论: 若 f(x) 关于区间中点 x=2a+b 对称,即 f(a+b−x)=f(x),则
∫abxf(x)dx=2a+b∫abf(x)dx
小题可直接使用,大题需写证明。
证明
设
I=∫abxf(x)dx
由区间再现公式令 x=a+b−t:
I=∫ab(a+b−t)f(a+b−t)dt
因为 f(a+b−t)=f(t),所以
I=∫ab(a+b−t)f(t)dt
=(a+b)∫abf(t)dt−=I∫abtf(t)dt
故
2I=(a+b)∫abf(t)dt
⟹I=2a+b∫abf(x)dx
三、常用形式(区间 [0,π])
∫0πxf(sinx)dx=2π∫0πf(sinx)dx
因为 sin(π−x)=sinx,所以 f(sinx) 关于 x=2π 对称,推论条件满足。
例 3.57(2012 数一真题)
解答题例 3.57(2012 数一真题)
计算
∫02x2x−x2dx
解答
方法一:区间再现推论
注意到 2x−x2=1−(x−1)2,所以 2x−x2 关于区间 [0,2] 的中点 x=1 对称,由推论得
∫02x2x−x2dx=20+2∫022x−x2dx=∫022x−x2dx
又 2x−x2=1−(x−1)2,故上式是以 (1,0) 为圆心、半径为 1 的上半圆面积,即
∫022x−x2dx=2π⋅12=2π
因此
∫02x2x−x2dx=2π
方法二:配方加三角换元
含 ax2+bx+c 的积分,通用步骤:先配方化为 k2−t2、t2+k2 或 t2−k2 之一,再分别令 t=ksinθ、t=ktanθ 或 t=ksecθ。
本题令 t=x−1,则 x=t+1,积分区间变为 [−1,1]:
∫02x2x−x2dx=∫−11(t+1)1−t2dt
==0,奇函数∫−11t1−t2dt+∫−111−t2dt
由偶函数性质和三角换元 t=sinθ:
∫−111−t2dt=2∫011−t2dt=2∫02πcos2θdθ
=∫02π(1+cos2θ)dθ=2π
因此
∫02x2x−x2dx=2π
例 3.58
以下两题小题口算,大题需写推论证明过程。
解答题例 3.58
1. 计算
∫0nπx∣sinx∣dx
2. 计算
∫0nπx∣cosx∣dx
解答
因为 ∣sin(nπ−x)∣=∣sinx∣,故 ∣sinx∣ 关于 x=2nπ 对称,由推论得
∫0nπx∣sinx∣dx=2nπ∫0nπ∣sinx∣dx
又 ∫0nπ∣sinx∣dx=2n,故
∫0nπx∣sinx∣dx=n2π
因为 ∣cos(nπ−x)∣=∣cosx∣,故 ∣cosx∣ 关于 x=2nπ 对称,由推论得
∫0nπx∣cosx∣dx=2nπ∫0nπ∣cosx∣dx
又 ∫0nπ∣cosx∣dx=2n,故
∫0nπx∣cosx∣dx=n2π
例 3.59
解答题例 3.59
计算
I=∫−2π2π1+exexsin4xdx
解答
被积函数中含 1+exex,原函数难求,考虑区间再现。
令 x=−t,当 x=−2π 时 t=2π,当 x=2π 时 t=−2π,故
I=∫−2π2π1+e−te−tsin4(−t)dt=∫−2π2π1+et1sin4tdt
(利用 sin4(−t)=sin4t 及 1+e−te−t=1+et1)
改回变量 x,与原式相加:
2I=∫−2π2π(1+exex+1+ex1)sin4xdx
=∫−2π2πsin4xdx
因 sin4x 为偶函数:
I=21⋅2∫02πsin4xdx=∫02πsin4xdx
由华里士公式:
∫02πsin4xdx=43⋅21⋅2π=163π
故
I=163π
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