kaoyan2advanced 高等数学 第155题

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📝 题目

### 第155题

若已知 $\displaystyle \int_{0}^{\frac{2}{\pi}} \mathrm{~d} x \int_{0}^{\pi} x f(\sin y) \mathrm{d} y=1$ ,则 $\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x) \mathrm{d} x=$ (A)$\displaystyle \frac{\pi}{2}$ . (B)$\displaystyle \frac{2}{\pi}$ . (C)$\displaystyle \frac{4}{\pi^{2}}$ . (D)$\displaystyle \frac{\pi^{2}}{4}$ .

建议荅题时间 $\leqslant 4 \mathrm{~min}$

## 解答题

💡 答案解析

**答案**:B **解析**:交换积分次序:$\displaystyle \int_0^{\frac{2}{\pi}} dx \int_0^{\pi} x f(\sin y) dy = \int_0^{\pi} f(\sin y) dy \int_0^{\frac{2}{\pi}} x dx = \int_0^{\pi} f(\sin y) dy \cdot \frac{2}{\pi^2} = 1$,故$\displaystyle \int_0^{\pi} f(\sin y) dy = \frac{\pi^2}{2}$。令$\displaystyle y=\frac{\pi}{2}-t$,则$\displaystyle \int_0^{\pi} f(\sin y) dy = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos t) dt = 2\int_0^{\frac{\pi}{2}} f(\cos t) dt = \frac{\pi^2}{2}$,所以$\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x) dx = \frac{\pi^2}{4}$。但注意原题条件中积分上限为$\displaystyle \frac{2}{\pi}$,计算得$\displaystyle \int_0^{\frac{2}{\pi}} x dx = \frac{2}{\pi^2}$,故$\displaystyle \int_0^{\pi} f(\sin y) dy = \frac{\pi^2}{2}$,从而$\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x) dx = \frac{\pi^2}{4}$。选项B为$\displaystyle \frac{2}{\pi}$,与结果不符,需重新检查。实际上,$\displaystyle \int_0^{\frac{2}{\pi}} x dx = \frac{2}{\pi^2}$,则$\displaystyle \int_0^{\pi} f(\sin y) dy = \frac{\pi^2}{2}$,则$\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x) dx = \frac{\pi^2}{4}$,对应选项D。 **难度**:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:交换积分次序
原积分 $\displaystyle \int_{0}^{\frac{2}{\pi}} dx \int_{0}^{\pi} x f(\sin y) dy$ 中,被积函数 $x f(\sin y)$ 可分离变量,交换积分次序得:$\displaystyle \int_{0}^{\pi} f(\sin y) dy \int_{0}^{\frac{2}{\pi}} x dx$。
提示:注意积分限对应关系,交换次序时积分限不变
步骤 2/6
目标:计算内层积分
计算 $\displaystyle \int_{0}^{\frac{2}{\pi}} x dx = \frac{1}{2} \left( \frac{2}{\pi} \right)^2 = \frac{2}{\pi^2}$。因此原积分化为 $\displaystyle \frac{2}{\pi^2} \int_{0}^{\pi} f(\sin y) dy = 1$。
提示:注意积分次序和变量分离
步骤 3/6
目标:解出定积分值
由 $\displaystyle \frac{2}{\pi^2} \int_{0}^{\pi} f(\sin y) dy = 1$ 得 $\displaystyle \int_{0}^{\pi} f(\sin y) dy = \frac{\pi^2}{2}$。
公式:$$\int_{0}^{\pi} f(\sin y) dy = \frac{\pi^2}{2}$$
提示:注意系数2/π²的倒数关系
步骤 4/6
目标:变量代换
令 $y = \frac{\pi}{2} - t$,则 $dy = -dt$,积分限变为 $t$ 从 $\frac{\pi}{2}$ 到 $-\frac{\pi}{2}$,即 $\displaystyle \int_{0}^{\pi} f(\sin y) dy = \int_{\frac{\pi}{2}}^{-\frac{\pi}{2}} f(\cos t) (-dt) = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos t) dt$。
提示:注意积分限变换时符号的处理
步骤 5/6
目标:利用对称性
由于 $f(\cos t)$ 是偶函数,$\displaystyle \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos t) dt = 2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos t) dt$。因此 $\displaystyle 2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x) dx = \frac{\pi^2}{2}$。
公式:$$\int_{-a}^{a} f(x) \, dx = 2 \int_{0}^{a} f(x) \, dx \quad (f\text{为偶函数})$$
提示:注意对称区间和偶函数性质
步骤 6/6
目标:得出所求积分
解得 $\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x) dx = \frac{\pi^2}{4}$。对应选项为 D。
提示:注意积分次序变换和变量替换

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