方企勤 第七章 典型综合题分析 第10题

教材习题

📝 题目

例 10 求证: $\displaystyle{\int }_{0}^{1}\frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x = \frac{\pi }{8}\ln 2$ .

💡 答案解析

证法 1 令 $x = \tan t,\mathrm{\;d}x = {\sec }^{2}t\mathrm{\;d}t$ ,则

$$ {\int }_{0}^{1}\frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {1 + \tan t}\right) \mathrm{d}t $$

$$ = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {\sin t + \cos t}\right) \mathrm{d}t - {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {\cos t}\right) \mathrm{d}t $$

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

$$ = \frac{\pi }{8}\ln 2 + {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {\sin \left( {t + \frac{\pi }{4}}\right) }\right) \mathrm{d}t - {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {\cos t}\right) \mathrm{d}t. $$

(7.27)

又令 $t = \frac{\pi }{4} - u$ ,则

$$ {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {\sin \left( {t + \frac{\pi }{4}}\right) }\right) \mathrm{d}t = {\int }_{0}^{\frac{\pi }{4}}\ln \left( {\cos u}\right) \mathrm{d}u. \tag{7.28} $$

(7.28)式代入 (7.27) 式即得结论.

证法 2 设 $J\left( y\right) = {\int }_{0}^{1}\frac{\ln \left( {1 + {xy}}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x$ ,则 $J\left( 0\right) = 0$ ,

$$ \frac{\mathrm{d}J}{\mathrm{\;d}y} = {\int }_{0}^{1}\frac{x}{\left( {1 + {x}^{2}}\right) \left( {1 + {xy}}\right) }\mathrm{d}x $$

$$ = {\int }_{0}^{1}\frac{1}{1 + {y}^{2}}\left\lbrack {\frac{x}{1 + {x}^{2}} + \frac{y}{1 + {x}^{2}} - \frac{y}{1 + {xy}}}\right\rbrack \mathrm{d}x $$

$$ = \frac{1}{1 + {y}^{2}}\left\lbrack {\frac{1}{2}\ln 2 + \frac{\pi }{4}y - \ln \left( {1 + y}\right) }\right\rbrack . $$

对上式两边从 0 到 1 积分,得 $J\left( 1\right) - J\left( 0\right) = \frac{\pi }{4}\ln 2 - J\left( 1\right)$ ,由此推出

$$ J\left( 1\right) = {\int }_{0}^{1}\frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x = \frac{\pi }{8}\ln 2. $$

证法 3 设 $I\left( y\right) = {\int }_{0}^{y}\frac{\ln \left( {1 + {xy}}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x$ ,则 $I\left( 0\right) = 0$ ,

$$ \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{\;d}y} = \frac{\ln \left( {1 + {y}^{2}}\right) }{1 + {y}^{2}} + {\int }_{0}^{y}\frac{x}{\left( {1 + {x}^{2}}\right) \left( {1 + {xy}}\right) }\mathrm{d}x $$

$$ = \frac{\ln \left( {1 + {y}^{2}}\right) }{2\left( {1 + {y}^{2}}\right) } + \frac{y\arctan y}{1 + {y}^{2}}. $$

上式两边从 0 到 $y$ 积分,得

$$ I\left( y\right) = \frac{1}{2}\left\{ {{\int }_{0}^{y}\ln \left( {1 + {t}^{2}}\right) \operatorname{darctan}t + {\int }_{0}^{y}\arctan t\operatorname{dln}\left( {1 + {t}^{2}}\right) }\right\} $$

$$ = \frac{1}{2}\ln \left( {1 + {y}^{2}}\right) \arctan y, $$

于是

$$ {\int }_{0}^{1}\frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x = I\left( 1\right) = \frac{\pi }{8}\ln 2. $$

证法 4 设 $I = {\int }_{0}^{1}\frac{\ln \left( {1 + x}\right) }{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x$ . 因为 $\ln \left( {1 + x}\right) = {\int }_{0}^{1}\frac{x}{1 + {xy}}\mathrm{\;d}y$ ,所以

$$ I = {\int }_{0}^{1}\frac{1}{1 + {x}^{2}}\mathrm{\;d}x{\int }_{0}^{1}\frac{x}{1 + {xy}}\mathrm{\;d}y = {\int }_{0}^{1}\mathrm{\;d}y{\int }_{0}^{1}\frac{x\mathrm{\;d}x}{\left( {1 + {x}^{2}}\right) \left( {1 + {xy}}\right) } $$

$$ = {\int }_{0}^{1}\frac{1}{1 + {y}^{2}}\left\{ {\frac{1}{2}\ln 2 + \frac{\pi }{4}y - \ln \left( {1 + y}\right) }\right\} \mathrm{d}y = \frac{\pi }{4}\ln 2 - I, $$

从而

$$ I = \frac{\pi }{8}\ln 2. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:使用变量代换 x = tan t 将积分转化为三角函数积分
令 x = tan t,则 dx = sec^2 t dt,积分限从 0 到 1 变为 t 从 0 到 π/4。代入得 ∫_0^1 ln(1+x)/(1+x^2) dx = ∫_0^{π/4} ln(1+tan t) dt。
公式:x = tan t, dx = sec^2 t dt
提示:注意代换后分母 1+x^2 简化为 sec^2 t,与 dx 中的 sec^2 t 抵消。
步骤 2/4
目标:将 ln(1+tan t) 分解为 ln(sin t+cos t) - ln(cos t)
利用 1+tan t = (cos t+sin t)/cos t,则 ln(1+tan t) = ln(sin t+cos t) - ln(cos t)。积分变为 ∫_0^{π/4} ln(sin t+cos t) dt - ∫_0^{π/4} ln(cos t) dt。
公式:ln(1+tan t) = ln(sin t+cos t) - ln(cos t)
提示:恒等变形是关键。
步骤 3/4
目标:将 sin t+cos t 化为 √2 sin(t+π/4)
sin t+cos t = √2 sin(t+π/4),所以 ln(sin t+cos t) = (1/2) ln2 + ln(sin(t+π/4))。积分变为 (π/8) ln2 + ∫_0^{π/4} ln(sin(t+π/4)) dt - ∫_0^{π/4} ln(cos t) dt。
公式:sin t+cos t = √2 sin(t+π/4)
提示:利用辅助角公式。
步骤 4/4
目标:通过变量代换 t = π/4 - u 证明两个积分相等
令 u = π/4 - t,则 dt = -du,积分限变为 u 从 π/4 到 0,交换上下限得 ∫_0^{π/4} ln(sin(t+π/4)) dt = ∫_0^{π/4} ln(cos u) du。代入上式,两项抵消,得到原积分 = π/8 ln2。
公式:t = π/4 - u
提示:注意积分限变换和符号。

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