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含绝对值的定积分:积分区间是否跨过分界点

对 t 积分时 x 是常数——关键不是看 x 本身的正负,而是看积分区间 [-1, x] 是否跨过绝对值分界点 t=0,据此分两种情况处理。

含绝对值的定积分:积分区间是否跨过分界点

核心技巧

tt 积分时,xx 是积分上限,是一个固定的常数。

处理含 t|t| 的定积分,分析对象是积分变量 tt 的范围,而不是 xx 本身。具体来说:

  1. 找到绝对值的分界点(此处为 t=0t=0);
  2. 看积分区间 [1,x][-1,x] 是否跨过这个分界点;
  3. 若区间未跨过,直接去绝对值;若跨过,在分界点处拆开积分。

例题(李林 880 例 3.51)

解答题李林 880 例 3.51

计算

1x(1t)dt(x1)\int_{-1}^{x}(1-|t|)\,dt \qquad (x\ge -1)

解题过程

解答

绝对值的分界点是 t=0t=0,积分区间是 [1,x][-1,x]。按 xx00 的关系分两种情况。

情况一:1x<0-1\le x<0

积分区间 [1,x][-1,x] 完全在 t<0t<0 的范围内,未跨过分界点,故

t=t,1t=1+t|t|=-t, \qquad 1-|t|=1+t

直接积分:

1x(1+t)dt=(1+t)221x=(1+x)22\int_{-1}^{x}(1+t)\,dt =\left.\frac{(1+t)^2}{2}\right|_{-1}^{x} =\frac{(1+x)^2}{2}

情况二:x0x\ge 0

积分区间 [1,x][-1,x] 跨过了 t=0t=0,在该点拆开:

1x(1t)dt=10(1t)dt+0x(1t)dt\int_{-1}^{x}(1-|t|)\,dt =\int_{-1}^{0}(1-|t|)\,dt+\int_{0}^{x}(1-|t|)\,dt

左段 t[1,0]t\in[-1,0]t=t|t|=-t,被积函数为 1+t1+t
右段 t[0,x]t\in[0,x]t=t|t|=t,被积函数为 1t1-t

=10(1+t)dt+0x(1t)dt=12+(xx22)=12+xx22=\int_{-1}^{0}(1+t)\,dt+\int_{0}^{x}(1-t)\,dt =\frac{1}{2}+\left(x-\frac{x^2}{2}\right) =\frac{1}{2}+x-\frac{x^2}{2}

也可以整理为

1(1x)221-\frac{(1-x)^2}{2}

最终结果

1x(1t)dt={(1+x)22,1x<01(1x)22,x0\int_{-1}^{x}(1-|t|)\,dt = \begin{cases} \dfrac{(1+x)^2}{2}, & -1\le x<0 \\[8pt] 1-\dfrac{(1-x)^2}{2}, & x\ge 0 \end{cases}
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