方企勤 第三章 一元函数积分学 第9题

教材习题

📝 题目

例 9 求证: (1) 极限 $\mathop{\lim }\limits_{{b \rightarrow 1}}{\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x\left( {0 < b < 1}\right)$ 存在;

(2) $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{b \rightarrow 1}}{\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x > 1}$ .

💡 答案解析

证(1)考虑函数 $f\left( b\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }{\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x\left( {0 < b < 1}\right)$ . 当 $0 < {b}_{1}$ $< {b}_{2} < 1$ 时,

$$ f\left( {b}_{2}\right) = {\int }_{0}^{{b}_{2}}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x = {\int }_{0}^{{b}_{1}}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x + {\int }_{{b}_{1}}^{{b}_{2}}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x $$

$$ \geq {\int }_{0}^{{b}_{1}}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x = f\left( {b}_{1}\right) , $$

即 $f\left( b\right)$ 在(0,1)上单调递增. 又

$$ f\left( b\right) \leq {\int }_{0}^{b}\frac{1}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x = \arcsin b \leq \frac{\pi }{2}\;\left( {0 < b < 1}\right) , $$

即 $f\left( b\right)$ 在(0,1)上有上界. 因此 $\mathop{\lim }\limits_{{b \rightarrow 1 - 0}}f\left( b\right)$ 存在.

(2)证法 1 因为 $\cos x = 1 - 2{\sin }^{2}\frac{x}{2} \geq 1 - \frac{{x}^{2}}{2} \geq \sqrt{1 - {x}^{2}}(0 \leq x$ $\leq b < 1$ ),所以

$$ {\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x \geq {\int }_{0}^{b}\mathrm{\;d}x = b\left( {0 < b < 1}\right) $$

$$ \Rightarrow \mathop{\lim }\limits_{{b \rightarrow 1}}{\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x \geq \mathop{\lim }\limits_{{b \rightarrow 1}}b = 1. $$

证法 2 因为 $\cos x \geq 1 - \frac{{x}^{2}}{2} = \frac{1 - {x}^{2}}{2} + \frac{1}{2}\left( {0 \leq x \leq b < 1}\right)$ ,所以

$$ {\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x \geq \frac{1}{2}{\int }_{0}^{b}\sqrt{1 - {x}^{2}}\mathrm{\;d}x + \frac{1}{2}{\int }_{0}^{b}\frac{1}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \frac{1}{4}b\sqrt{1 - {b}^{2}} + \frac{3}{4}\arcsin b. $$

因此

$$ \mathop{\lim }\limits_{{b \rightarrow 1}}{\int }_{0}^{b}\frac{\cos x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}}\mathrm{\;d}x \geq \frac{3}{4}\arcsin 1 = \frac{3\pi }{8} > 1. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:证明极限存在
定义函数 f(b)=∫_0^b cos x/√(1-x^2) dx,0
公式:f(b2)-f(b1)=∫_{b1}^{b2} cos x/√(1-x^2) dx ≥ 0
提示:利用cos x在[0,1]上非负,故被积函数非负,积分单调。
步骤 2/5
目标:证明f(b)有上界
由于cos x ≤ 1,有f(b) ≤ ∫_0^b 1/√(1-x^2) dx = arcsin b ≤ π/2。
公式:f(b) ≤ arcsin b ≤ π/2
提示:利用arcsin b在b→1时趋于π/2。
步骤 3/5
目标:由单调有界定理得极限存在
f(b)在(0,1)上单调递增且有上界,故lim_{b→1-0} f(b)存在。
步骤 4/5
目标:证明极限大于1(证法1)
利用不等式cos x ≥ 1 - x^2/2 ≥ √(1-x^2)(0≤x≤b<1),得f(b) ≥ ∫_0^b dx = b,取极限得lim f(b) ≥ 1。
公式:cos x ≥ √(1-x^2) ⇒ f(b) ≥ b
提示:需验证不等式成立:1 - x^2/2 ≥ √(1-x^2) 在[0,1]上成立。
步骤 5/5
目标:证明极限大于1(证法2)
利用cos x ≥ 1 - x^2/2 = (1-x^2)/2 + 1/2,得f(b) ≥ 1/2 ∫_0^b √(1-x^2) dx + 1/2 ∫_0^b 1/√(1-x^2) dx = 1/4 b√(1-b^2) + 3/4 arcsin b,取极限得lim f(b) ≥ 3π/8 > 1。
公式:f(b) ≥ 1/4 b√(1-b^2) + 3/4 arcsin b
提示:计算积分:∫√(1-x^2)dx = (x√(1-x^2)+arcsin x)/2。

📷 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。