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区间再现公式:推导、推论与典型例题

系统整理区间再现公式的推导、对称函数推论及证明,以及两大使用场景:被积函数含 x·f(x) 对称结构时直接套推论,原函数难求时用换元"再现"区间后两式相加消去复杂项。

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\int_a^b f(x)\,dx,令 x=a+btx=a+b-t 换元后区间不变,得到

abf(x)dx=abf(a+bx)dx\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^b f(a+b-x)\,dx

两大使用场景:

场景一: 被积函数形如 xg(x)x \cdot g(x),且 g(x)g(x) 关于区间中点 x=a+b2x=\dfrac{a+b}{2} 对称(即 g(a+bx)=g(x)g(a+b-x)=g(x)),可直接用推论:

abxg(x)dx=a+b2abg(x)dx\int_a^b x\,g(x)\,dx = \frac{a+b}{2}\int_a^b g(x)\,dx

场景二: 原函数不易求出时,用 xa+bxx \to 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][a,b],令

x=a+bt    dx=dtx = a+b-t \implies dx = -dt

x=ax=at=bt=b,当 x=bx=bt=at=a,故

abf(x)dx=baf(a+bt)(dt)=abf(a+bt)dt\int_a^b f(x)\,dx = \int_b^a f(a+b-t)(-dt) = \int_a^b f(a+b-t)\,dt

将虚拟变量 tt 改回 xx,得

abf(x)dx=abf(a+bx)dx\boxed{\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^b f(a+b-x)\,dx}


二、推论:xf(x)x\cdot f(x) 型积分

结论:f(x)f(x) 关于区间中点 x=a+b2x=\dfrac{a+b}{2} 对称,即 f(a+bx)=f(x)f(a+b-x)=f(x),则

abxf(x)dx=a+b2abf(x)dx\boxed{\int_a^b x\,f(x)\,dx = \frac{a+b}{2}\int_a^b f(x)\,dx}

小题可直接使用,大题需写证明。

证明

I=abxf(x)dxI = \int_a^b x\,f(x)\,dx

由区间再现公式令 x=a+btx = a+b-t

I=ab(a+bt)f(a+bt)dtI = \int_a^b (a+b-t)\,f(a+b-t)\,dt

因为 f(a+bt)=f(t)f(a+b-t)=f(t),所以

I=ab(a+bt)f(t)dtI = \int_a^b (a+b-t)\,f(t)\,dt

=(a+b)abf(t)dtabtf(t)dt=I= (a+b)\int_a^b f(t)\,dt - \underbrace{\int_a^b t\,f(t)\,dt}_{=\,I}

2I=(a+b)abf(t)dt2I = (a+b)\int_a^b f(t)\,dt

    I=a+b2abf(x)dx\implies \boxed{I = \frac{a+b}{2}\int_a^b f(x)\,dx}


三、常用形式(区间 [0,π][0,\pi]

0πxf(sinx)dx=π20πf(sinx)dx\int_0^\pi x\,f(\sin x)\,dx = \frac{\pi}{2}\int_0^\pi f(\sin x)\,dx

因为 sin(πx)=sinx\sin(\pi - x) = \sin x,所以 f(sinx)f(\sin x) 关于 x=π2x=\dfrac{\pi}{2} 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

02x2xx2dx\int_0^2 x\sqrt{2x-x^2}\,dx

解答

方法一:区间再现推论

注意到 2xx2=1(x1)22x-x^2 = 1-(x-1)^2,所以 2xx2\sqrt{2x-x^2} 关于区间 [0,2][0,2] 的中点 x=1x=1 对称,由推论得

02x2xx2dx=0+22022xx2dx=022xx2dx\int_0^2 x\sqrt{2x-x^2}\,dx = \frac{0+2}{2}\int_0^2\sqrt{2x-x^2}\,dx = \int_0^2\sqrt{2x-x^2}\,dx

2xx2=1(x1)22x-x^2 = 1-(x-1)^2,故上式是以 (1,0)(1,0) 为圆心、半径为 11 的上半圆面积,即

022xx2dx=π122=π2\int_0^2\sqrt{2x-x^2}\,dx = \frac{\pi\cdot 1^2}{2} = \frac{\pi}{2}

因此

02x2xx2dx=π2\boxed{\int_0^2 x\sqrt{2x-x^2}\,dx = \frac{\pi}{2}}

方法二:配方加三角换元

ax2+bx+c\sqrt{ax^2+bx+c} 的积分,通用步骤:先配方化为 k2t2\sqrt{k^2-t^2}t2+k2\sqrt{t^2+k^2}t2k2\sqrt{t^2-k^2} 之一,再分别令 t=ksinθt=k\sin\thetat=ktanθt=k\tan\thetat=ksecθt=k\sec\theta

本题令 t=x1t=x-1,则 x=t+1x=t+1,积分区间变为 [1,1][-1,1]

02x2xx2dx=11(t+1)1t2dt\int_0^2 x\sqrt{2x-x^2}\,dx = \int_{-1}^{1}(t+1)\sqrt{1-t^2}\,dt

=11t1t2dt=0,  奇函数+111t2dt= \underbrace{\int_{-1}^{1}t\sqrt{1-t^2}\,dt}_{=\,0,\;\text{奇函数}} + \int_{-1}^{1}\sqrt{1-t^2}\,dt

由偶函数性质和三角换元 t=sinθt=\sin\theta

111t2dt=2011t2dt=20π2cos2θdθ\int_{-1}^{1}\sqrt{1-t^2}\,dt = 2\int_0^1\sqrt{1-t^2}\,dt = 2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^2\theta\,d\theta

=0π2(1+cos2θ)dθ=π2= \int_0^{\frac{\pi}{2}}(1+\cos 2\theta)\,d\theta = \frac{\pi}{2}

因此

02x2xx2dx=π2\boxed{\int_0^2 x\sqrt{2x-x^2}\,dx = \frac{\pi}{2}}


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

0nπxsinxdx\int_0^{n\pi}x|\sin x|\,dx

2. 计算

0nπxcosxdx\int_0^{n\pi}x|\cos x|\,dx

解答

因为 sin(nπx)=sinx|\sin(n\pi-x)|=|\sin x|,故 sinx|\sin x| 关于 x=nπ2x=\dfrac{n\pi}{2} 对称,由推论得

0nπxsinxdx=nπ20nπsinxdx\int_0^{n\pi}x|\sin x|\,dx = \frac{n\pi}{2}\int_0^{n\pi}|\sin x|\,dx

0nπsinxdx=2n\int_0^{n\pi}|\sin x|\,dx = 2n,故

0nπxsinxdx=n2π\boxed{\int_0^{n\pi}x|\sin x|\,dx = n^2\pi}

因为 cos(nπx)=cosx|\cos(n\pi-x)|=|\cos x|,故 cosx|\cos x| 关于 x=nπ2x=\dfrac{n\pi}{2} 对称,由推论得

0nπxcosxdx=nπ20nπcosxdx\int_0^{n\pi}x|\cos x|\,dx = \frac{n\pi}{2}\int_0^{n\pi}|\cos x|\,dx

0nπcosxdx=2n\int_0^{n\pi}|\cos x|\,dx = 2n,故

0nπxcosxdx=n2π\boxed{\int_0^{n\pi}x|\cos x|\,dx = n^2\pi}


例 3.59

解答题例 3.59

计算

I=π2π2ex1+exsin4xdxI = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{e^x}{1+e^x}\sin^4 x\,dx

解答

被积函数中含 ex1+ex\dfrac{e^x}{1+e^x},原函数难求,考虑区间再现。

x=tx = -t,当 x=π2x=-\dfrac{\pi}{2}t=π2t=\dfrac{\pi}{2},当 x=π2x=\dfrac{\pi}{2}t=π2t=-\dfrac{\pi}{2},故

I=π2π2et1+etsin4(t)dt=π2π211+etsin4tdtI = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{e^{-t}}{1+e^{-t}}\sin^4(-t)\,dt = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{1+e^t}\sin^4 t\,dt

(利用 sin4(t)=sin4t\sin^4(-t)=\sin^4 tet1+et=11+et\dfrac{e^{-t}}{1+e^{-t}}=\dfrac{1}{1+e^t}

改回变量 xx,与原式相加:

2I=π2π2(ex1+ex+11+ex)sin4xdx2I = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\left(\frac{e^x}{1+e^x}+\frac{1}{1+e^x}\right)\sin^4 x\,dx

=π2π2sin4xdx= \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\sin^4 x\,dx

sin4x\sin^4 x 为偶函数:

I=1220π2sin4xdx=0π2sin4xdxI = \frac{1}{2}\cdot 2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^4 x\,dx = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^4 x\,dx

由华里士公式:

0π2sin4xdx=3412π2=3π16\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^4 x\,dx = \frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{3\pi}{16}

I=3π16\boxed{I = \frac{3\pi}{16}}

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