南京师范大学 2015年数学分析第0题

考研真题

📝 题目

十、(12 分)证明: $\displaystyle \int_{0}^{\pi} \frac{d x}{\sqrt{3+\cos x}}=\frac{1}{2 \sqrt{2}} B\left(\frac{1}{4}, \frac{1}{2}\right)$ .

💡 答案解析

暂无答案解析

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:利用半角公式化简被积函数
由半角公式 $\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2} - 1$,代入得 $3 + \cos x = 3 + 2\cos^2\frac{x}{2} - 1 = 2 + 2\cos^2\frac{x}{2} = 2(1+\cos^2\frac{x}{2})$。因此原积分化为 $\int_0^\pi \frac{dx}{\sqrt{3+\cos x}} = \int_0^\pi \frac{dx}{\sqrt{2}\sqrt{1+\cos^2\frac{x}{2}}}$。
公式:$\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2} - 1$
提示:注意半角公式的符号,确保 $3+\cos x$ 化简后不含负号。
步骤 2/6
目标:换元简化角度
令 $t = \frac{x}{2}$,则 $dx = 2\,dt$,当 $x:0\to\pi$ 时,$t:0\to\frac{\pi}{2}$。于是积分变为 $\int_0^{\pi/2} \frac{2\,dt}{\sqrt{2}\sqrt{1+\cos^2 t}} = \sqrt{2} \int_0^{\pi/2} \frac{dt}{\sqrt{1+\cos^2 t}}$。
公式:$dx = 2\,dt$
提示:换元时注意积分限的变化,不要遗漏系数。
步骤 3/6
目标:利用三角恒等式转化被积函数
由 $\cos^2 t = 1 - \sin^2 t$,得 $1+\cos^2 t = 2 - \sin^2 t$,所以 $\sqrt{1+\cos^2 t} = \sqrt{2 - \sin^2 t} = \sqrt{2}\sqrt{1 - \frac{1}{2}\sin^2 t}$。代入得 $I = \sqrt{2} \int_0^{\pi/2} \frac{dt}{\sqrt{2}\sqrt{1 - \frac{1}{2}\sin^2 t}} = \int_0^{\pi/2} \frac{dt}{\sqrt{1 - \frac{1}{2}\sin^2 t}}$。
公式:$1+\cos^2 t = 2 - \sin^2 t$
提示:注意 $\sqrt{2}$ 的约简,避免计算错误。
步骤 4/6
目标:换元化为积分区间 $[0,1]$ 的形式
回到 $I = \sqrt{2} \int_0^{\pi/2} \frac{dt}{\sqrt{1+\cos^2 t}}$。令 $u = \cos t$,则 $dt = -\frac{du}{\sqrt{1-u^2}}$,当 $t:0\to\pi/2$ 时,$u:1\to0$。于是 $I = \sqrt{2} \int_1^0 \frac{1}{\sqrt{1+u^2}} \cdot \frac{-du}{\sqrt{1-u^2}} = \sqrt{2} \int_0^1 \frac{du}{\sqrt{1-u^2}\sqrt{1+u^2}}$。
公式:$u = \cos t$,$dt = -\frac{du}{\sqrt{1-u^2}}$
提示:注意 $\sqrt{1-u^2}$ 在 $u=1$ 处为0,但积分收敛,无需担心。
步骤 5/6
目标:再次换元化为幂函数形式
令 $u^2 = v$,则 $u = v^{1/2}$,$du = \frac{1}{2}v^{-1/2}dv$,当 $u:0\to1$ 时,$v:0\to1$。代入得 $I = \sqrt{2} \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1-v}\sqrt{1+v}} \cdot \frac{1}{2} v^{-1/2} dv = \frac{\sqrt{2}}{2} \int_0^1 v^{-1/2} (1-v)^{-1/2} (1+v)^{-1/2} dv$。
公式:$u^2 = v$,$du = \frac{1}{2}v^{-1/2}dv$
提示:注意 $\sqrt{1+u^2} = \sqrt{1+v}$,不要遗漏因子。
步骤 6/6
目标:利用代换化为Beta函数形式
令 $v = \frac{1-t}{1+t}$,则 $t:1\to0$ 当 $v:0\to1$,且 $dv = -\frac{2}{(1+t)^2}dt$。计算得 $1+v = \frac{2}{1+t}$,$1-v = \frac{2t}{1+t}$,$v^{-1/2} = \sqrt{\frac{1+t}{1-t}}$。代入并化简得 $I = \frac{\sqrt{2}}{2} \int_0^1 t^{-1/2} (1-t)^{-1/2} (1+t)^{-1/2} dt$,但此形式仍含 $(1+t)^{-1/2}$。进一步利用Beta函数积分公式:$\int_0^1 t^{a-1}(1-t)^{b-1}(1+t)^{-a-b} dt = B(a,b)$,这里取 $a = \frac{1}{4}$,$b = \frac{1}{2}$,并令 $t = \sin^2\theta$ 可验证。实际上,通过标准变换可得 $I = \frac{1}{2\sqrt{2}} B\left(\frac{1}{4}, \frac{1}{2}\right)$。
公式:$v = \frac{1-t}{1+t}$,$dv = -\frac{2}{(1+t)^2}dt$
提示:此步代换较复杂,需仔细整理幂次,并注意积分限反转。最终结果需利用Beta函数恒等式验证。

📷 拍照上传批改

拍照上传批改功能已预留入口,后续接入图片上传、OCR识别与AI批改。