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$\int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{4x - 4x^2}dx$

求积分 ∫ 0 1 x arcsin ⁡ 4 x − 4 x 2 d x \int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{4x - 4x^2} \, dx 01xarcsin4x4x2 dx

这个积分本身不难,但是有易错点,①非主值区间三角函数不可求反函数;②计算量大,不能善用技巧容易算错

  1. 整理形式
    ∫ 0 1 x arcsin ⁡ 4 x − 4 x 2 d x = ∫ 0 1 x arcsin ⁡ − ( 4 x 2 − 4 x ) d x = ∫ 0 1 x arcsin ⁡ − 4 ( x 2 − x + ( − 1 2 ) 2 − ( − 1 2 ) 2 ) d x = ∫ 0 1 x arcsin ⁡ 1 − ( 2 x − 1 ) 2 d x \begin{aligned} \int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{4x - 4x^2} \, dx&=\int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{-(4x^2-4x)} \, dx\\ &=\int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{-4\left(x^2-x+(-\frac{1}2)^2-(-\frac{1}2)^2\right)} \, dx\\ &=\int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{1-(2x-1)^2} \, dx \end{aligned} 01xarcsin4x4x2 dx=01xarcsin(4x24x) dx=01xarcsin4(x2x+(21)2(21)2) dx=01xarcsin1(2x1)2 dx

  2. 换元

    2 x − 1 = cos ⁡ ( t ) 2x-1=\cos(t) 2x1=cos(t),则有 x = 1 + cos ⁡ ( t ) 2 x=\frac{1+\cos(t)}{2} x=21+cos(t),且 cos ⁡ ( t ) ∈ [ − 1 , 1 ] \cos(t)\in[-1,1] cos(t)[1,1],故可反解 t = arccos ⁡ ( 2 x − 1 ) t=\arccos(2x-1) t=arccos(2x1)

    换元3换

    1. 被积函数换:
      x arcsin ⁡ 1 − ( 2 x − 1 ) 2 = ( 1 + cos ⁡ ( t ) ) 2 ⋅ arcsin ⁡ 1 − cos ⁡ 2 ( t ) = ( 1 + cos ⁡ ( t ) ) 2 ⋅ arcsin ⁡ ( sin ⁡ ( t ) ) \begin{aligned} x \arcsin \sqrt{1-(2x-1)^2}&=\frac{(1+\cos(t))}{2}\cdot\arcsin\sqrt{1-\cos^2(t)}\\& =\frac{(1+\cos(t))}{2}\cdot\arcsin(\sin(t)) \end{aligned} xarcsin1(2x1)2 =2(1+cos(t))arcsin1cos2(t) =2(1+cos(t))arcsin(sin(t))

    2. 上下限换:
      t = { arccos ⁡ ( 2 ⋅ 0 − 1 ) = arccos ⁡ ( − 1 ) = π , x = 0 arccos ⁡ ( 2 ⋅ 1 − 1 ) = arccos ⁡ ( 1 ) = 0 , x = 1 t=\begin{cases} \arccos(2\cdot0-1)=\arccos(-1)=\pi,\quad x=0\\ \arccos(2\cdot1-1)=\arccos(1)=0, \quad x=1 \end{cases} t={arccos(201)=arccos(1)=π,x=0arccos(211)=arccos(1)=0,x=1

    3. 积分变量换
      d x = d ( 1 + cos ⁡ ( t ) 2 ) = − sin ⁡ ( t ) 2 d t dx=d\left(\frac{1+\cos(t)}{2}\right)=-\frac{\sin(t)}2 dt dx=d(21+cos(t))=2sin(t)dt

  3. 积分拆解
    ∫ 0 1 x arcsin ⁡ 1 − ( 2 x − 1 ) 2 d x = ∫ π 0 ( 1 + cos ⁡ ( t ) ) 2 ⋅ arcsin ⁡ ( sin ⁡ ( t ) ) ⋅ ( − sin ⁡ ( t ) 2 ) d t = − 1 4 ∫ π 0 sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ arcsin ⁡ ( sin ⁡ ( t ) ) d t ⏟ 利用定积分性质交换上下限 = 1 4 ∫ 0 π sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ arcsin ⁡ ( sin ⁡ ( t ) ) ⏟ t ∉ [ − π 2 , π 2 ] , 分区间讨论 d t = 1 4 ∫ 0 π 2 sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ arcsin ⁡ ( sin ⁡ ( t ) ) d t + 1 4 ∫ π 2 π sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ arcsin ⁡ ( sin ⁡ ( t ) ) ⏟ 在 [ π 2 , π ] , t = π − arcsin ⁡ ( y ) d t = 1 4 ∫ 0 π 2 sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ t d t + 1 4 ∫ π 2 π sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ ( π − t ) d t ⏟ 令 π − t = u 进行换元,记得换元三换 = 1 4 ∫ 0 π 2 sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ t d t + 1 4 ∫ π 2 0 sin ⁡ ( π − u ) ( 1 + cos ⁡ ( π − u ) ) u ⋅ ( − d u ) ⏟ 利用诱导公式化简 = 1 4 ∫ 0 π 2 sin ⁡ ( t ) ⋅ [ 1 + cos ⁡ ( t ) ] ⋅ t d t + 1 4 ∫ 0 π 2 sin ⁡ ( u ) ( 1 − cos ⁡ ( u ) ) u ⋅ d u = 1 4 [ ∫ 0 π 2 t ⋅ sin ⁡ ( t ) [ 1 + cos ⁡ ( t ) + 1 − cos ⁡ ( t ) ] d t ] = 1 2 ∫ 0 π 2 t ⋅ sin ⁡ ( t ) d t ⏟ 表格法快速求积 = 1 2 [ sin ⁡ ( t ) − t ⋅ cos ⁡ ( t ) ] ∣ 0 π 2 = 1 2 \begin{aligned} &\int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{1-(2x-1)^2} \, dx\\ &=\int_\pi^0\frac{(1+\cos(t))}{2}\cdot\arcsin(\sin(t))\cdot\left(-\frac{\sin(t)}2\right)dt\\ &=\underbrace{-\frac14\int_\pi^0\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot\arcsin(\sin(t))dt}_{利用定积分性质交换上下限}\\ &=\frac14\int_0^\pi\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot\underbrace{\arcsin(\sin(t))}_{t\notin\left[-\frac\pi2,\frac\pi2\right],\text{分区间讨论}}dt\\ &=\frac14\int_0^\frac\pi2\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot\arcsin(\sin(t))dt+\frac14\int_\frac\pi2^\pi\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot\underbrace{\arcsin(\sin(t))}_{\text{在}\left[\frac\pi2,\pi\right],t=\pi-\arcsin(y)}dt\\ &=\frac14\int_0^\frac\pi2\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot tdt+\frac14\underbrace{\int_\frac\pi2^\pi\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot(\pi-t)dt}_{\text{令}\pi-t=u进行换元,记得换元三换}\\ &=\frac14\int_0^\frac\pi2\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot tdt+\frac14\underbrace{\int_{\frac{\pi}{2}}^{0} \sin(\pi - u) (1 + \cos(\pi - u)) u \cdot (-du)}_{\text{利用诱导公式化简}}\\ &=\frac14\int_0^\frac\pi2\sin(t)\cdot\left[1+\cos(t)\right]\cdot tdt+\frac14\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin(u) (1 - \cos(u)) u \cdot du\\ &=\frac14\left[\int_0^\frac\pi2 t\cdot\sin(t)\left[1+\cos(t)+1-\cos(t)\right]dt\right]\\ &=\frac12\underbrace{\int_0^\frac\pi2 t\cdot\sin(t)dt}_{\text{表格法快速求积}}\\ &=\frac12\left[\sin(t)-t\cdot\cos(t)\right]|_{0}^{\frac\pi2}\\ &=\frac12 \end{aligned} 01xarcsin1(2x1)2 dx=π02(1+cos(t))arcsin(sin(t))(2sin(t))dt=利用定积分性质交换上下限 41π0sin(t)[1+cos(t)]arcsin(sin(t))dt=410πsin(t)[1+cos(t)]t/[2π,2π],分区间讨论 arcsin(sin(t))dt=4102πsin(t)[1+cos(t)]arcsin(sin(t))dt+412ππsin(t)[1+cos(t)][2π,π],t=πarcsin(y) arcsin(sin(t))dt=4102πsin(t)[1+cos(t)]tdt+41πt=u进行换元,记得换元三换 2ππsin(t)[1+cos(t)](πt)dt=4102πsin(t)[1+cos(t)]tdt+41利用诱导公式化简 2π0sin(πu)(1+cos(πu))u(du)=4102πsin(t)[1+cos(t)]tdt+4102πsin(u)(1cos(u))udu=41[02πtsin(t)[1+cos(t)+1cos(t)]dt]=21表格法快速求积 02πtsin(t)dt=21[sin(t)tcos(t)]02π=21

http://www.xdnf.cn/news/5270.html

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