第三章 一元函数积分学及其应用#
§3.1 不定积分#
计算下列不定积分:
(2). \(\displaystyle \int \left( \dfrac{1}{\sqrt{x}} - \dfrac{2}{\sqrt{1-x^2}} + 3e^x \right) \mathrm{d} x\);
(4). \(\displaystyle \int \dfrac{e^{2x} - 1}{e^x + 1} \mathrm{d} x\);
(6). \(\displaystyle \int (2^xe^x + 1) \mathrm{d} x\);
(8). \(\displaystyle \int \dfrac{1 - x + x^2}{x + x^3} \mathrm{d} x\);
(10). \(\displaystyle \int \dfrac{\cos 2x}{\cos^2 x \sin^2 x} \mathrm{d} x\).
(2).
(4).
(6).
(8).
(10).
若某曲线过点 \((1, 1)\), 且在任一点 \(x\) 处的切线的斜率为 \(\dfrac{2}{x}\), 求此曲线方程.
设曲线方程为 \(y = f(x)\), 则 \(f'(x) = \dfrac{2}{x}\), 从而 \(\displaystyle f(x) = \int \dfrac{2}{x} \mathrm{d} x = 2\ln x + C\), 由 \(f(1) = 1\) 知 \(C = 1\), 因此曲线方程为 \(y = 2\ln x + 1\).
设 \(f'(e^x) = 1 + e^{3x}\), 且 \(f(0) = 1\), 求 \(f(x)\).
由题设知 \(f'(e^x) = 1 + e^{3x}\), 从而 \(f'(x) = 1 + x^3\), 那么
由 \(f(0) = 1\) 知 \(C = 1\), 因此 \(f(x) = x + \dfrac{x^4}{4} + 1\).
计算下列不定积分:
(1). \(\displaystyle \int \dfrac{1}{(2x - 5)^{10}} \mathrm{d} x\);
(3). \(\displaystyle \int \dfrac{x}{\sqrt{1 + x^2}} \mathrm{d} x\);
(5). \(\displaystyle \int x^2 e^{2x^3} \mathrm{d} x\);
(7). \(\displaystyle \int \dfrac{\sqrt{1 + 3\ln x}}{x} \mathrm{d} x\);
(9). \(\displaystyle \int \dfrac{2x - 1}{\sqrt{1 - x^2}} \mathrm{d} x\);
(11). \(\displaystyle \int \dfrac{1}{4 + 9x^2} \mathrm{d} x\);
(13). \(\displaystyle \int \sin^2 x \cos^2 x \mathrm{d} x\);
(15). \(\displaystyle \int x (2x - 3)^{10} \mathrm{d} x\);
(17). \(\displaystyle \int \dfrac{1}{x^2 \sqrt{1 + x^2}} \mathrm{d} x\).
(1). 令 \(u = 2x - 5\), 则 \(\mathrm{d} u = 2 \mathrm{d} x\), 从而有
接下来, 中间变量 \(u\) 就不再写出了.
(3).
(5).
(7).
(9).
(11).
(13).
(15).
(17).
以上假设了 \(x > 0\), 对于 \(x < 0\) 的情况, 从根式中提出 \(x\) 要变 (2次) 号, 最终结果是一样的.
计算下列不定积分:
(2). \(\displaystyle \int x \cos (5x + 2) \mathrm{d} x\);
(4). \(\displaystyle \int \dfrac{\ln x}{\sqrt{x}} \mathrm{d} x\);
(6). \(\displaystyle \int \ln(1 + x^2) \mathrm{d} x\).
(8). 设 \(f(x)\) 的一个原函数为 \(x \cos x\), 求积分 \(\displaystyle \int x f'(x) \mathrm{d} x\).
(2). 采用分部积分法:
(4). 令 \(x = t^2, t > 0\), 则 \(\mathrm{d} x = 2t \mathrm{d} t\), 从而有
也可以直接采用分部积分法:
(6). 采用分部积分法:
(8). 采用分部积分法:
计算下列不定积分:
(1). \(\displaystyle \int \dfrac{1}{3 + \sin^2 x} \mathrm{d} x\);
(3). \(\displaystyle \int \cos x \cos 5x \mathrm{d} x\);
(5). \(\displaystyle \int \dfrac{2x + 5}{x^2 + 4x + 8} \mathrm{d} x\);
(7). \(\displaystyle \int \dfrac{x}{\sqrt{3 + 4x}} \mathrm{d} x\).
(1).
(3). 利用和差化积公式 \(\cos x \cos 5x = \dfrac{1}{2} (\cos 4x + \cos 6x)\), 从而有
(5).
(7). 令 \(u = \sqrt{3 + 4x}\), 那么 \(\mathrm{d} x = \dfrac{u \mathrm{d} u}{2}\), 从而有
§3.2 定积分#
设 \(x\) 轴上有一根细棒, 位于 \(x = a\) 到 \(x = b\) 的区间上, 这棒在 \(x\) 处的线密度为 \(\rho(x)\), 试用定积分表示这细棒的质量.
设细棒的质量为 \(m\), 则有
利用定积分的几何意义, 给出下列定积分的值:
(1). \(\displaystyle \int_a^b x \mathrm{d} x\);
(3). \(\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} \sin x \mathrm{d} x\);
(5). \(\displaystyle \int_0^4 (2 - x) \mathrm{d} x\).
(1). 假设 \(a < b\).
定积分 \(\displaystyle \int_a^b x \mathrm{d} x\) 表示 \(x\) 从 \(a\) 到 \(b\) 曲线 \(y = x\) 与 \(x\) 轴之间 (带正负号) 的面积. 当 \(a, b\) 同号时, 这是一个底边长 \(|a|, |b|\), 高为 \(|a - b|\) 的梯形, 面积为 \(\dfrac{|a| + |b|}{2} |a - b|\). 当 \(a, b > 0\) 时, 面积为正的, 当 \(a, b < 0\) 时, 面积为负的. 值为 \(\dfrac{b^2 - a^2}{2}\).
当 \(a \leqslant 0 \leqslant b\), 定积分 \(\displaystyle \int_a^b x \mathrm{d} x\) 表示两个三角形的面积之差 (包括等于 \(0\) 时退化的情况). 这是两个等腰直角三角形, 直角边长分别为 \(-a, b\), 面积之差为 \(\dfrac{b^2 - a^2}{2}\).
(3). \(\sin x\) 在 \((-\pi, 0)\) 取值为负, \((0, \pi)\) 取值为正, 因此定积分 \(\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} \sin x \mathrm{d} x\) 表示 这两部分曲线与 \(x\) 轴围成 (带正负号) 的面积之和. 正两部分面积正好绝对值相等, 符号相反, 因此定积分的值为 \(0\).
(5). \(\displaystyle \int_0^4 (2 - x) \mathrm{d} x\) 表示 \(x\) 从 \(0\) 到 \(4\) 曲线 \(y = 2 - x\) 与 \(x\) 轴之间 (带正负号) 的面积. \(x\) 从 \(0\) 到 \(2\) 时, \(y = 2 - x\) 在 \(x\) 轴上方, 面积为正, \(x\) 从 \(2\) 到 \(4\) 时, \(y = 2 - x\) 在 \(x\) 轴下方, 面积为负. 这两部分面积绝对值相等, 符号相反, 因此定积分的值为 \(0\).
利用定积分的性质, 比较下列各组积分值的大小:
(2). \(\displaystyle \int_0^1 e^x \mathrm{d} x\) 与 \(\displaystyle \int_0^1 (1 + x) \mathrm{d} x\).
由于在区间 \((0, 1)\) 上有不等式 \(e^x > 1 + x\), 因此有 \(\displaystyle \int_0^1 e^x \mathrm{d} x > \int_0^1 (1 + x) \mathrm{d} x\).
证明下列不等式:
(2). \(\displaystyle 2 e^{-\frac{1}{4}} < \int_0^2 e^{x^2 - x} \mathrm{d} x < 2 e^2\).
由于 \(e^{x^2 - x} = e^{\left( x - \frac{1}{2} \right)^2 - \frac{1}{4}}\) 在区间 \([0, 2]\) 上的最小值为 \(e^{-\frac{1}{4}}\), 最大值为 \(e^2\), 因此有
设函数 \(f(x)\) 在区间 \([1, 3]\) 上的平均值为 \(6\), 求定积分 \(\displaystyle \int_1^3 f(x) \mathrm{d} x\).
函数 \(f(x)\) 在区间 \([1, 3]\) 上的平均值为 \(6\), 也就是说有
从而有 \(\displaystyle \int_1^3 f(x) \mathrm{d} x = 12\).
§3.3 定积分的计算#
计算下列各题:
(2). 设 \(\displaystyle f(x) = \int_0^x e^{-t^2} \mathrm{d} t\), 求 \(f''(1)\);
(4). 求 \(\displaystyle \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x} \int_{x^2}^{x^3} \dfrac{1}{\sqrt{1 + u^4}} \mathrm{d} u\);
(6). 求极限 \(\displaystyle \lim_{x \to 0} \dfrac{\int_0^x t(t + \sin t) \mathrm{d} t}{\int_x^0 \ln (1 + t^2) \mathrm{d} t}\).
(1). \(f'(x) = e^{-x^2}\), \(f''(x) = -2x e^{-x^2}\), 因此 \(f''(1) = -2e^{-1}\).
(3). \(\displaystyle \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x} \int_{x^2}^{x^3} \dfrac{1}{\sqrt{1 + u^4}} \mathrm{d} u = \dfrac{1}{\sqrt{1 + x^{12}}} \cdot 3x^2 - \dfrac{1}{\sqrt{1 + x^8}} \cdot 2x = \dfrac{3x^2}{\sqrt{1 + x^{12}}} - \dfrac{2x}{\sqrt{1 + x^8}}\).
(5).
备注
一般地, 如果 \(\displaystyle f(x) = \int_{\varphi(x)}^{\psi(x)} g(t) \mathrm{d} t\), 那么
设 \(y = f(x)\) 是由方程 \(\displaystyle x^2 y = \int_0^y \sqrt{1 + t^2} \mathrm{d} t\) 所确定的隐函数, 试求 \(y = f(x)\) 的微分 \(\mathrm{d} y\).
对方程两边求微分, 有
移项之后有
设函数 \(f(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上连续且单调增加, 令
\[F(x) = \dfrac{1}{x - a} \int_a^x f(t) \mathrm{d} t \quad (a < x \leqslant b),\]试证明在区间 \((a, b]\) 上恒有 \(F'(x) \geqslant 0\).
由于 \(f(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上连续且单调增加, 所以有
进一步由积分中值定理, 存在 \(\xi \in (a, x)\) 使得 \(\displaystyle \int_a^x f(t) \mathrm{d} t = f(\xi) (x - a)\), 因此有
由于 \(f(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上连续且单调增加, 因此有 \(f(x) \geqslant f(\xi)\), 从而有 \(F'(x) \geqslant 0\).
计算下列定积分:
(1). \(\displaystyle \int_0^4 (2 - \sqrt{x})^2 \mathrm{d} x\);
(3). \(\displaystyle \int_0^1 \dfrac{1}{\sqrt{4-u^2}} \mathrm{d} u\);
(5). 设 \(\displaystyle f(x) = \begin{cases} \frac{x}{2} + 1, & 0 \leqslant x \leqslant 2 \\ x, & 2 < x \leqslant 3 \end{cases}\), 求 \(\displaystyle \int_0^3 f(x) \mathrm{d} x\).
(7). \(\displaystyle \int_0^2 (2 - x)^2 (2 + x) \mathrm{d} x\);
(9). \(\displaystyle \int_0^{\pi} (1 - \sin^3 \varphi) \mathrm{d} \varphi\).
(1). 令 \(t = \sqrt{x}\), 那么 \(x = t^2, \mathrm{d} x = 2t \mathrm{d} t\), 从而有
(3). 令 \(u = 2 \sin \varphi\), 那么 \(\mathrm{d} u = 2 \cos \varphi \mathrm{d} \varphi\), 从而有
(5). 根据定积分对积分区间的可加性, 有
(7).
(9). 由于 \(\sin^3 \varphi = \dfrac{3}{4} \sin \varphi - \dfrac{1}{4} \sin 3\varphi\), 因此有
计算下列定积分:
(2). \(\displaystyle \int_0^{\pi} \dfrac{\sin x}{1 + \cos^2 x} \mathrm{d} x\);
(4). \(\displaystyle \int_0^1 x^2 \sqrt{1 - x^2} \mathrm{d} x\);
(6). \(\displaystyle \int_1^2 \dfrac{\sqrt{x^2 - 1}}{x} \mathrm{d} x\);
(8). \(\displaystyle \int_{-1}^1 \dfrac{x}{\sqrt{5 - 4x}} \mathrm{d} x\).
(2).
(4).
另解: 令 \(x = \sin t\), 积分区域变为 \([0, \frac{\pi}{2}]\), 从而有
(6). 令 \(x = \sec \varphi\), 积分区域变为 \([0, \frac{\pi}{3}]\), 从而有
(8). 令 \(t = \sqrt{5 - 4x}\), 那么 \(x = \dfrac{5 - t^2}{4}\), \(\mathrm{d} x = -\dfrac{t}{2} \mathrm{d} t\), 从而有
计算下列定积分:
(1). \(\displaystyle \int_0^1 x \ln(1 + x) \mathrm{d} x\);
(3). \(\displaystyle \int_0^{\sqrt{3}} \ln \left( x + \sqrt{1 + x^2} \right) \mathrm{d} x\);
(5). \(\displaystyle \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \arccos x \mathrm{d} x\);
(7). \(\displaystyle \int_{-1}^1 \dfrac{x^2 \sin^5 x + 1}{1 + x^2} \mathrm{d} x\).
(1).
(3).
(5).
(7). 因为 \(\dfrac{x^2 \sin^5 x}{1 + x^2}\) 是奇函数, 所以 \(\displaystyle \int_{-1}^1 \dfrac{x^2 \sin^5 x}{1 + x^2} \mathrm{d} x = 0\), 因此有
设 \(f(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上连续, 证明 \(\displaystyle \int_a^b f(x) \mathrm{d} x = \int_a^b f(a + b - x) \mathrm{d} x\).
令 \(t = a + b - x\), 那么 \(x = a + b - t, \mathrm{d} t = -\mathrm{d} x\), 积分区间变为 \([a + b - b, a + b - a] = [a, b]\), 从而有
设 \(a > 0\), 试证明: \(\displaystyle \int_0^a x^3 f(x^2) \mathrm{d} x = \dfrac{1}{2} \int_0^{a^2} x f(x) \mathrm{d} x\).
\(\displaystyle \int_0^a x^3 f(x^2) \mathrm{d} x = \dfrac{1}{2} \int_0^a x^2 f(x^2) \mathrm{d} (x^2) = \dfrac{1}{2} \int_0^{a^2} x f(x) \mathrm{d} x\).
证明: \(\displaystyle \int_0^{\pi} \sin^n x \mathrm{d} x = 2 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^n x \mathrm{d} x\).
令 \(t = x - \dfrac{\pi}{2}\), 那么 \(x = t + \dfrac{\pi}{2}\), \(\mathrm{d} t = \mathrm{d} x\), 积分区间变为 \([-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}]\), 从而有
由于 \(\cos^n t\) 是偶函数, 因此有
§3.4 定积分的应用#
求下列各曲线所围成的图形的面积:
(1). \(y = 9 - x^2, y = 0\);
(3). \(y = x^3, x = 0, y = 1\);
(5). \(y = \sin x, x = -\pi, x = \dfrac{\pi}{2}, y = 0\);
(7). \(r = 2a (2 + \cos \theta)\).
(1). \(y = 9 - x^2\) 与 \(y = 0\) 的交点为 \(x = \pm 3\), 因此所围成的图形的面积 \(S\) 为
(3). \(y = x^3, x = 0, y = 1\) 所围成的图形为正方形 \([0, 1] \times [0, 1]\) 内, 位于曲线 \(y = x^3\) 之上的部分, 因此所围成的图形的面积 \(S\) 为
(5). \(y = \sin x, x = -\pi, x = \dfrac{\pi}{2}, y = 0\) 所围成的图形分为两部分, 一部分为 \([-\pi, 0] \times [0, 1]\) 内在曲线 \(y = \sin x\) 之上的部分; 另一部分为 \([0, \frac{\pi}{2}] \times [0, 1]\) 内在曲线 \(y = \sin x\) 之下的部分, 因此所围成的图形的面积 \(S\) 为
(7). \(r = 2a (2 + \cos \theta)\) 所围成的图形为 \(\theta\) 从 \(0\) 增加到 \(2\pi\) 形成的闭合曲线所围成的图形, 因此所围成的图形的面积 \(S\) 为
求抛物线 \(y = -x^2 + 4x - 3\) 与其在点 \((0, -3)\) 和 \((3, 0)\) 处的切线所围成的平面图形的面积.
抛物线 \(y = -x^2 + 4x - 3\) 的导函数为 \(y' = -2x + 4\), 因此在点 \(A = (0, -3)\) 处的切线方程为 \(y = 4x - 3\), 在点 \(B = (3, 0)\) 处的切线方程为 \(y = -2x + 6\), 两条切线的交点为 \(C = \left( \frac{3}{2}, 3 \right)\). 因此所围成的图形的为三角形 \(\triangle ABC\) 内位于抛物线 \(y = -x^2 + 4x - 3\) 之上的部分. 因此所围成的图形的面积 \(S\) 为
求摆线 \(x = a(t - \sin t), y = a(1 - \cos t)\) 的一拱 \((0 \leqslant t \leqslant 2\pi)\) 的长度.
摆线长 \(\displaystyle \ell = \int_0^{2\pi} \sqrt{\left( \dfrac{\mathrm{d} x}{\mathrm{d} t} \right)^2 + \left( \dfrac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} t} \right)^2} \mathrm{d} t\), 因此有
设抛物线 \(y^2 = 2x\) 与直线 \(y = x - 4\) 围成的平面区域为 \(D\),
(1). 求 \(D\) 的面积;
(2). 求 \(D\) 绕 \(x\) 轴旋转一周所生成的旋转体体积.
(1). 抛物线 \(y^2 = 2x\) 与直线 \(y = x - 4\) 的交点为 \(A = (8, 4)\), \(B = (2, -2)\), 因此所围成的图形为三角形 \(\triangle OAB\) 内位于抛物线 \(y^2 = 2x\) 以及直线 \(y = x - 4\) 之间的部分. 以 \(y\) 为自变量, 那么所围成的图形的面积 \(S\) 为直线 \(x = y + 4\) 之下, 抛物线 \(x = \dfrac{y^2}{2}\) 之上的部分:
(2). 令点 \(E = (4, 0), F = (8, 0)\), 那么旋转体的体积等于曲线 \(y = \sqrt{2x}\), 直线 \(x = 8\) 与 \(x\) 轴所围成的图形绕 \(x\) 轴旋转一周所形成的旋转体的体积, 减去以 \(EF\) 为高的圆锥的体积, 即
求曲线 \(xy = 1\) 与直线 \(x = 1, x = 2, y = 0\) 所围成的平面区域绕 \(y\) 轴旋转一周所形成的旋转体体积.
曲线 \(xy = 1\) 与直线 \(x = 1, x = 2, y = 0\) 所围成的平面区域绕 \(y\) 轴旋转一周所形成的旋转体可以分为两部分. 第一部分为曲线 \(x = \dfrac{1}{y}\), 直线 \(y = 1, y = \dfrac{1}{2}\) 与 \(y\) 轴所围成的曲边梯形绕 \(y\) 轴旋转一周所形成的旋转体减去矩形 \([0, 1] \times [\frac{1}{2}, 1]\) 绕 \(y\) 轴旋转一周所形成的旋转体, 其体积为
第二部分为矩形 \([1, 2] \times [0, \frac{1}{2}]\) 绕 \(y\) 轴旋转一周所形成的旋转体, 其体积为
所以所围成的图形的面积 \(S = S_1 + S_2 = \dfrac{\pi}{2} + \dfrac{3\pi}{2} = 2\pi\).
设某水库的闸门为一等腰梯形, 下底为 2m, 上底为 6m, 高为 10m. 当水库水齐闸门顶时, 求闸门所受的水压力.
水深 \(h\) 处的压强为 \(\rho g h\), 其中 \(\rho\) 为水的密度, \(g\) 为重力加速度. 水深 \(h\) 处闸门宽 \(w\) 为 \(w = 6 - \dfrac{4}{10} h\), 因此闸门所受的水压力
§3.5 广义积分#
计算下列广义积分:
(2). \(\displaystyle \int_2^{+\infty} \dfrac{x}{\sqrt{1 + x^2}} \mathrm{d} x\);
(4). \(\displaystyle \int_1^{+\infty} \dfrac{1}{\sqrt{x}(1 + x)} \mathrm{d} x\);
(6). \(\displaystyle \int_0^2 \dfrac{1}{(1 - x)^2} \mathrm{d} x\).
(2).
该广义积分发散.
(4).
(6).
该广义积分发散.
讨论广义积分 \(\displaystyle \int_2^{+\infty} \dfrac{1}{x (\ln x)^k} \mathrm{d} x\) 的敛散性, 若收敛, 求其值. 又当 \(k\) 为何值时, 该广义积分取得最小值.
由于
所以当 \(k > 1\) 时, 该广义积分收敛, 值为 \(\dfrac{1}{(k - 1)(\ln 2)^{k - 1}}\); 当 \(k \leqslant 1\) 时, 该广义积分发散.
令 \(f(k) = (k - 1)(\ln 2)^{k - 1}, k > 1\), 那么
由于 \(\ln 2 \in (0, 1)\), \(\ln \ln 2 < 0\), 令 \(f'(k) = 0\) 解得 \(k = 1 - \dfrac{1}{\ln \ln 2}\). 当 \(1 < k < 1 - \dfrac{1}{\ln \ln 2}\) 时, \(f'(k) > 0\); 当 \(k > 1 - \dfrac{1}{\ln \ln 2}\) 时, \(f'(k) < 0\), 因此当 \(k = 1 - \dfrac{1}{\ln \ln 2}\) 时, \(f(k)\) 取得极大值. 它是 \(f(k)\) 唯一的极大值点, 因此是其最大值点, 从而是该广义积分的最小值点.
设 \(\displaystyle f(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x}, & x \geqslant 0 \\ 0, & x < 0 \end{cases}\), 其中 \(\lambda > 0\), 试求 \(\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} xf(x) \mathrm{d} x\) 与 \(\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} x^2 f(x) \mathrm{d} x\).