中册 5.1 反常积分计算 第8题

数学分析早年真题

📝 题目

8.已知 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}$ ,计算下列反常积分. (1) $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x$ . (2) $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln (1+x)}{x} \mathrm{~d} x$ . (3) $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln (1-x)}{x} \mathrm{~d} x$ . (4) $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x^{2}} \mathrm{~d} x$ . (5) $\displaystyle \int_{0}^{+\infty} \frac{x}{\mathrm{e}^{x}+1} \mathrm{dx}$ . (6) $\int_{0}^{+\infty} \ln \left(1+\mathrm{e}^{-x}\right) \mathrm{d} x$ .

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)由于 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 1^{-}} \frac{\ln x}{1-x}=\lim _{x \rightarrow 1^{-}} \frac{\frac{1}{x}}{-1}=-1$ ,故 $x=1$ 不是取点,因而只有 $x=0$ 为㻓点. 又 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0^{+}} x^{\frac{1}{2}} \frac{\ln x}{x-1}=0$ ,由于 $\displaystyle p=\frac{1}{2}, \lambda=0$ ,故积分 $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x$ 收玫。 令 $1-x=t$ ,则 $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x=\int_{0}^{1} \frac{\ln (1-t)}{t} \mathrm{~d} t=-\int_{0}^{1} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{t^{n-1}}{n} \mathrm{~d} t=-\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=-\frac{\pi^{2}}{6}$ . (2)由于 $\displaystyle \ln (1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{x^{n}}{n}$ ,所以 $$ \int_{0}^{1} \frac{\ln (1+x)}{x} \mathrm{~d} x=\int_{0}^{1} \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n} x^{n-1} \mathrm{~d} x=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n^{2}}=\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k-1)^{2}}-\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k)^{2}}=\frac{\pi^{2}}{8}-\frac{1}{4} \cdot \frac{\pi^{2}}{6}=\frac{\pi^{2}}{12} . $$ (3)由于 $\displaystyle \ln (1-x)=-\sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^{n}}{n}$ ,所以 $\displaystyle I=\int_{0}^{1} \frac{\ln (1-x)}{x} \mathrm{~d} x=-\int_{0}^{1} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^{n-1}}{n} \mathrm{~d} x=-\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=-\frac{\pi^{2}}{6}$ . (4) $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x^{2}} \mathrm{~d} x=\frac{1}{2}\left(\int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x+\int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1+x} \mathrm{~d} x\right)$ . 而 $$ \begin{aligned} \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1+x} \mathrm{~d} x & =\int_{0}^{1} \sum_{n=0}^{\infty}(-1)^{n} x^{n} \ln x \mathrm{~d} x=-\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^{n} \frac{1}{(n+1)^{2}}=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n} \frac{1}{n^{2}} \\ & =-\left(\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k-1)^{2}}-\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k)^{2}}\right)=-\frac{\pi^{2}}{12} \end{aligned} $$ 所以 $\displaystyle \quad \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x^{2}} \mathrm{~d} x=\frac{1}{2}\left(-\frac{\pi^{2}}{6}-\frac{\pi^{2}}{12}\right)=-\frac{3 \pi^{2}}{24}$ . (5)令 $\mathrm{e}^{-x}=t$ ,则 $$ \begin{aligned} \int_{0}^{+\infty} \frac{x}{\mathrm{e}^{x}+1} \mathrm{~d} x & =-\int_{0}^{+\infty} \frac{x}{\mathrm{e}^{-x}+1} \mathrm{de}^{-x}=-\int_{0}^{1} \frac{\ln t}{t+1} \mathrm{~d} t=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n^{2}} \\ & =\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k-1)^{2}}-\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k)^{2}}=\frac{\pi^{2}}{8}-\frac{1}{4} \cdot \frac{\pi^{2}}{6}=\frac{\pi^{2}}{12} \end{aligned} $$ (6)令 $t=\mathrm{e}^{-x}$ ,利用 $\displaystyle \ln (1+x)=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n} x^{n}$ 及 $\displaystyle \sum \frac{1}{(2 k-1)^{2}}=\frac{\pi^{2}}{8}$ ,逐项积分有 $$ \begin{aligned} \int_{0}^{+\infty} \ln \left(1+\mathrm{e}^{-x}\right) \mathrm{d} x & =\int_{0}^{1} \frac{\ln (1+t)}{t} \mathrm{~d} t=\int_{0}^{1} \sum(-1)^{n+1} \frac{t^{n-1}}{n} \mathrm{~d} t=\sum \frac{(-1)^{n+1}}{n^{2}} \\ & =\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k-1)^{2}}-\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2 k)^{2}}=\frac{\pi^{2}}{8}-\frac{1}{4} \cdot \frac{\pi^{2}}{6}=\frac{\pi^{2}}{12} \end{aligned} $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/12
目标:判断积分收敛性
对于积分 $\int_0^1 \frac{\ln x}{1-x} dx$,$x=0$ 是瑕点。由于 $\lim_{x\to 0^+} x^{1/2} \frac{\ln x}{1-x}=0$,根据比较判别法,积分收敛。
提示:注意 $x=1$ 不是瑕点,因为极限 $\lim_{x\to 1^-} \frac{\ln x}{1-x}=-1$ 存在。
步骤 2/12
目标:变量替换并展开为级数
令 $t=1-x$,则 $x=1-t$,$dx=-dt$,积分变为 $\int_0^1 \frac{\ln(1-t)}{t} dt$。利用 $\ln(1-t) = -\sum_{n=1}^\infty \frac{t^n}{n}$,得 $\int_0^1 \frac{\ln(1-t)}{t} dt = -\int_0^1 \sum_{n=1}^\infty \frac{t^{n-1}}{n} dt$。
公式:ln(1-t) = -∑_{n=1}^∞ t^n/n
提示:注意级数在 $t\in[0,1)$ 内一致收敛,可逐项积分。
步骤 3/12
目标:逐项积分并求和
逐项积分得 $-\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} \int_0^1 t^{n-1} dt = -\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}$。已知 $\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}$,故原积分 $= -\frac{\pi^2}{6}$。
公式:∫_0^1 t^{n-1} dt = 1/n
提示:注意负号的处理。
步骤 4/12
目标:利用级数展开计算积分(2)
对于 $\int_0^1 \frac{\ln(1+x)}{x} dx$,利用 $\ln(1+x) = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{x^n}{n}$,则 $\frac{\ln(1+x)}{x} = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{x^{n-1}}{n}$。逐项积分得 $\sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{1}{n^2}$。
公式:ln(1+x) = ∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1} x^n/n
提示:注意级数在 $x=1$ 处收敛,可逐项积分。
步骤 5/12
目标:计算交错级数之和
将级数拆分为奇偶项:$\sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{1}{n^2} = \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{(2k-1)^2} - \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{(2k)^2}$。已知 $\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{(2k)^2} = \frac{1}{4} \cdot \frac{\pi^2}{6} = \frac{\pi^2}{24}$,且 $\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{(2k-1)^2} = \frac{\pi^2}{8}$,故结果为 $\frac{\pi^2}{8} - \frac{\pi^2}{24} = \frac{\pi^2}{12}$。
公式:∑_{k=1}^∞ 1/(2k-1)^2 = π^2/8
提示:注意符号:$(-1)^{n-1}$ 当 $n$ 为奇数时为正,偶数时为负。
步骤 6/12
目标:计算积分(3)
对于 $\int_0^1 \frac{\ln(1-x)}{x} dx$,利用 $\ln(1-x) = -\sum_{n=1}^\infty \frac{x^n}{n}$,则 $\frac{\ln(1-x)}{x} = -\sum_{n=1}^\infty \frac{x^{n-1}}{n}$。逐项积分得 $-\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = -\frac{\pi^2}{6}$。
公式:ln(1-x) = -∑_{n=1}^∞ x^n/n
提示:与(1)结果相同,注意负号。
步骤 7/12
目标:拆分积分(4)
对于 $\int_0^1 \frac{\ln x}{1-x^2} dx$,利用部分分式 $\frac{1}{1-x^2} = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{1-x} + \frac{1}{1+x}\right)$,得 $\frac{1}{2}\left(\int_0^1 \frac{\ln x}{1-x} dx + \int_0^1 \frac{\ln x}{1+x} dx\right)$。
公式:1/(1-x^2) = 1/2 * (1/(1-x) + 1/(1+x))
提示:注意拆分后两个积分均收敛。
步骤 8/12
目标:计算第二个积分并求和
计算 $\int_0^1 \frac{\ln x}{1+x} dx$:利用 $\frac{1}{1+x} = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n x^n$,逐项积分得 $\sum_{n=0}^\infty (-1)^n \int_0^1 x^n \ln x dx = -\sum_{n=0}^\infty (-1)^n \frac{1}{(n+1)^2} = -\sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{1}{n^2} = -\frac{\pi^2}{12}$。因此原积分 $= \frac{1}{2}\left(-\frac{\pi^2}{6} - \frac{\pi^2}{12}\right) = -\frac{\pi^2}{8}$。
公式:∫_0^1 x^n ln x dx = -1/(n+1)^2
提示:注意 $\int_0^1 x^n \ln x dx$ 的计算,以及级数求和时符号变化。
步骤 9/12
目标:变量替换计算积分(5)
对于 $\int_0^{+\infty} \frac{x}{e^x+1} dx$,令 $t = e^{-x}$,则 $x = -\ln t$,$dx = -\frac{1}{t} dt$,积分变为 $\int_0^1 \frac{-\ln t}{1/t + 1} \cdot \left(-\frac{1}{t}\right) dt = \int_0^1 \frac{-\ln t}{1+t} dt$。即 $-\int_0^1 \frac{\ln t}{1+t} dt$。
提示:注意换元时积分限的变化:$x$ 从 $0$ 到 $+\infty$ 对应 $t$ 从 $1$ 到 $0$,需交换上下限。
步骤 10/12
目标:计算所得积分
由(4)中计算知 $\int_0^1 \frac{\ln t}{1+t} dt = -\frac{\pi^2}{12}$,故原积分 $= -\left(-\frac{\pi^2}{12}\right) = \frac{\pi^2}{12}$。
提示:注意负号的处理。
步骤 11/12
目标:变量替换计算积分(6)
对于 $\int_0^{+\infty} \ln(1+e^{-x}) dx$,令 $t = e^{-x}$,则 $x = -\ln t$,$dx = -\frac{1}{t} dt$,积分变为 $\int_1^0 \ln(1+t) \cdot \left(-\frac{1}{t}\right) dt = \int_0^1 \frac{\ln(1+t)}{t} dt$。
提示:注意换元后积分限的变换。
步骤 12/12
目标:利用已知结果
由(2)知 $\int_0^1 \frac{\ln(1+t)}{t} dt = \frac{\pi^2}{12}$,故原积分 $= \frac{\pi^2}{12}$。
提示:直接利用(2)的结果。

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