方企勤 第三章 一元函数积分学 第6题

教材习题

📝 题目

例 6 求 $I = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\left( {\sqrt{\tan x} + \sqrt{\cot x}}\right) \mathrm{d}x$ .

💡 答案解析

解法 1 用三角函数的恒等变换.

$$ I = \sqrt{2}{\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\frac{\sin x + \cos x}{\sqrt{2\sin x\cos x}}\mathrm{\;d}x = 2{\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\frac{\cos \left( {x - \frac{\pi }{4}}\right) }{\sqrt{\cos 2\left( {x - \frac{\pi }{4}}\right) }}\mathrm{d}x $$

$$ \overset{t = x - \pi /4}{ = }2{\int }_{-\frac{\pi }{4}}^{\frac{\pi }{4}}\frac{\cos t}{\sqrt{1 - 2{\sin }^{2}t}}\mathrm{\;d}t = 4{\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\frac{\cos t}{\sqrt{1 - 2{\sin }^{2}t}}\mathrm{\;d}t $$

$$ \overset{v = \sqrt{2}\sin t}{ = }2\sqrt{2}{\int }_{0}^{1}\frac{1}{\sqrt{1 - {v}^{2}}}\mathrm{\;d}v = {\left. 2\sqrt{2}\arcsin v\right| }_{0}^{1} $$

$$ = \sqrt{2}\pi \text{ . } $$

解法 2 令 $u = \sqrt{\tan x}$ ,则 $\mathrm{d}u = \frac{{\sec }^{2}x\mathrm{\;d}x}{2\sqrt{\tan x}} = \frac{1 + {u}^{4}}{2u}\mathrm{\;d}x$ ,因此

$$ I = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\frac{1 + \tan x}{\sqrt{\tan x}}\mathrm{\;d}x = {\int }_{0}^{+\infty }\frac{1 + {u}^{2}}{u} \cdot \frac{2u}{1 + {u}^{4}}\mathrm{\;d}u $$

$$ = 2{\int }_{0}^{+\infty }\frac{1 + \frac{1}{{u}^{2}}}{{u}^{2} + \frac{1}{{u}^{2}}}\mathrm{\;d}u = 2{\int }_{0}^{+\infty }\frac{\mathrm{d}\left( {u - \frac{1}{u}}\right) }{{\left( u - \frac{1}{u}\right) }^{2} + 2} $$

$$ = \sqrt{2}\arctan {\left. \frac{u - \frac{1}{u}}{\sqrt{2}}\right| }_{0}^{+\infty } = \sqrt{2}\pi . $$

解法 3 注意到

$$ x = \frac{\pi }{2} - u \Rightarrow {\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sqrt{\cot x}\mathrm{\;d}x = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sqrt{\tan u}\mathrm{\;d}u = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}\sqrt{\tan x}\mathrm{\;d}x. $$

令 $t = \tan x$ ,则有

$$ I = 2{\int }_{0}^{+\infty }\frac{\sqrt{t}}{1 + {t}^{2}}\mathrm{\;d}t\overset{t = {v}^{2}}{ = }{\int }_{0}^{+\infty }\frac{4{v}^{2}}{1 + {v}^{4}}\mathrm{\;d}v $$

$$ = 2{\int }_{0}^{+\infty }\left\{ {\frac{1 + {v}^{2}}{1 + {v}^{4}} - \frac{1 - {v}^{2}}{1 + {v}^{4}}}\right\} \mathrm{d}v $$

$$ = 2{\int }_{0}^{+\infty }\frac{\mathrm{d}\left( {v - \frac{1}{v}}\right) }{{\left( v - \frac{1}{v}\right) }^{2} + 2} - 2{\int }_{0}^{+\infty }\frac{1}{1 + {v}^{4}}\mathrm{\;d}v $$

$$ + 2{\int }_{0}^{+\infty }\frac{{v}^{2}}{1 + {v}^{4}}\mathrm{\;d}v \tag{5.2} $$

$$ {\int }_{0}^{+\infty }\frac{{v}^{2}}{1 + {v}^{4}}\mathrm{\;d}v\overset{t = 1/v}{ = }{\int }_{0}^{+\infty }\frac{1}{1 + {t}^{4}}\mathrm{\;d}t = {\int }_{0}^{+\infty }\frac{1}{1 + {v}^{4}}\mathrm{\;d}v, $$

$$ {\int }_{0}^{+\infty }\frac{\mathrm{d}\left( {v - \frac{1}{v}}\right) }{{\left( v - \frac{1}{v}\right) }^{2} + 2}\frac{t = v - 1/v}{}{\int }_{-\infty }^{+\infty }\frac{1}{{t}^{2} + 2}\mathrm{\;d}t = \frac{\pi }{\sqrt{2}}. \tag{5.3} $$

联合 (5.2) 与 (5.3) 式,即得 $\displaystyle{I = 2{\int }_{-\infty }^{+\infty }\frac{\mathrm{d}u}{{u}^{2} + 2} = \sqrt{2}\pi}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将原积分转化为对称形式
利用三角恒等式,将 √tan x + √cot x 化为 √2 (sin x + cos x)/√(2 sin x cos x),再进一步化简为 2 cos(x-π/4)/√(cos 2(x-π/4))。
公式:√tan x + √cot x = √2 (sin x + cos x)/√(2 sin x cos x) = 2 cos(x-π/4)/√(cos 2(x-π/4))
提示:注意 sin x cos x = (1/2) sin 2x,以及 cos 2θ = 1-2 sin²θ。
步骤 2/4
目标:换元简化积分
令 t = x - π/4,则积分区间变为 [-π/4, π/4],利用被积函数的偶性,将积分化为 2 倍 [0, π/4] 上的积分。
公式:I = 2∫_{-π/4}^{π/4} (cos t)/√(1-2 sin² t) dt = 4∫_{0}^{π/4} (cos t)/√(1-2 sin² t) dt
提示:cos t 在 [-π/4, π/4] 上为偶函数。
步骤 3/4
目标:再次换元化为标准积分
令 v = √2 sin t,则 dv = √2 cos t dt,积分限变为 v 从 0 到 1,积分化为 2√2 ∫₀¹ 1/√(1-v²) dv。
公式:I = 2√2 ∫₀¹ dv/√(1-v²)
提示:注意换元时 cos t dt = dv/√2。
步骤 4/4
目标:计算最终结果
∫₀¹ dv/√(1-v²) = arcsin v|₀¹ = π/2,乘以 2√2 得 √2 π。
公式:I = 2√2 * (π/2) = √2 π
提示:arcsin(1)=π/2,arcsin(0)=0。

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