kaoyan1advanced 高等数学 第21题

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📝 题目

### 第21题

$\int_{0}^{2 \pi}\left|\sin ^{2} x-\cos ^{2} x\right| \mathrm{d} x=$ $\_\_\_\_$ .

💡 答案解析

**答案**:$4$ **解析**: 步骤1:$\sin^2 x - \cos^2 x = -\cos 2x$,故$|\sin^2 x - \cos^2 x| = |\cos 2x|$。 步骤2:原积分$=\int_0^{2\pi} |\cos 2x| dx$,周期为$\pi$,在$[0,2\pi]$上有4个周期?$\cos 2x$周期$\pi$,$|\cos 2x|$周期$\displaystyle \frac{\pi}{2}$,故$\displaystyle \int_0^{2\pi} |\cos 2x| dx = 4\int_0^{\pi/2} \cos 2x dx = 4 \cdot \frac{1}{2}\sin 2x \big|_0^{\pi/2} = 2 \cdot (0-0)=0$?计算错误。 步骤3:正确:$\displaystyle \int_0^{\pi/2} \cos 2x dx = \frac{1}{2}\sin 2x \big|_0^{\pi/2} = 0$,但$|\cos 2x|$在$[0,\pi/2]$上非负,实际积分$\displaystyle \int_0^{\pi/4} \cos 2x dx + \int_{\pi/4}^{\pi/2} (-\cos 2x) dx = \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 1$,故一个周期$\pi/2$内积分为1,$[0,2\pi]$有4个周期,总积分为4。 **最终答案**:$4$ **难度**:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:化简被积函数
利用三角恒等式 $\sin^2 x - \cos^2 x = -\cos 2x$,因此 $|\sin^2 x - \cos^2 x| = |\cos 2x|$。原积分化为 $\int_0^{2\pi} |\cos 2x| \, dx$。
公式:$$\sin^2 x - \cos^2 x = -\cos 2x$$
提示:注意绝对值处理,cos2x周期为π
步骤 2/5
目标:分析函数周期
$\cos 2x$ 的周期为 $\pi$,而 $|\cos 2x|$ 的周期为 $\frac{\pi}{2}$。在区间 $[0, 2\pi]$ 上,$|\cos 2x|$ 共有 $\frac{2\pi}{\pi/2} = 4$ 个完整周期。
公式:$$\cos 2x = \cos^2 x - \sin^2 x$$
提示:注意绝对值会改变周期,周期减半。
步骤 3/5
目标:计算一个周期内的积分
考虑一个周期 $[0, \frac{\pi}{2}]$。在此区间内,$\cos 2x$ 在 $[0, \frac{\pi}{4}]$ 上非负,在 $[\frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{2}]$ 上非正。因此: $$\int_0^{\pi/2} |\cos 2x| \, dx = \int_0^{\pi/4} \cos 2x \, dx + \int_{\pi/4}^{\pi/2} (-\cos 2x) \, dx$$ 计算得: $$\int_0^{\pi/4} \cos 2x \, dx = \left. \frac{1}{2} \sin 2x \right|_0^{\pi/4} = \frac{1}{2} \cdot 1 = \frac{1}{2}$$ $$\int_{\pi/4}^{\pi/2} (-\cos 2x) \, dx = -\left. \frac{1}{2} \sin 2x \right|_{\pi/4}^{\pi/2} = -\left(0 - \frac{1}{2}\right) = \frac{1}{2}$$ 所以一个周期内的积分为 $\frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 1$。
公式:$$\int |\cos 2x| \, dx = \int \cos 2x \, dx - \int \cos 2x \, dx$$
提示:注意绝对值分段处理,符号变化
步骤 4/5
目标:计算整个区间积分
由于 $[0, 2\pi]$ 包含 4 个完整周期,总积分为: $$\int_0^{2\pi} |\cos 2x| \, dx = 4 \times 1 = 4$$
公式:$$\int_0^{2\pi} |\cos 2x| \, dx = 4 \times 1 = 4$$
提示:注意绝对值处理,周期为π/2
步骤 5/5
目标:得出最终答案
因此,原积分的值为 $4$。
公式:$$\int_{0}^{2\pi}|\sin^2 x - \cos^2 x|\,dx = 4$$
提示:注意绝对值处理,利用周期性和对称性简化计算

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