kaoyan3basic 高等数学 第73题

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📝 题目

### 第73题 $\displaystyle 73 I=\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{(1+x) \cos x}{1+\cos ^{2} x} \mathrm{~d} x=$ $\_\_\_\_$ .

💡 答案解析

**答案**:$\displaystyle \frac{\pi}{2}$ **解析**: 步骤1:$\displaystyle I = \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \frac{(1+x)\cos x}{1+\cos^2 x} \mathrm{d}x = \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \frac{\cos x}{1+\cos^2 x} \mathrm{d}x + \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \frac{x\cos x}{1+\cos^2 x} \mathrm{d}x$。 步骤2:第二项被积函数为奇函数,在对称区间积分为0。第一项被积函数为偶函数,故$\displaystyle I = 2\int_{0}^{\pi/2} \frac{\cos x}{1+\cos^2 x} \mathrm{d}x$。 步骤3:令$t = \sin x$,则$\mathrm{d}t = \cos x \mathrm{d}x$,$x=0$时$t=0$,$x=\pi/2$时$t=1$,$1+\cos^2 x = 1+1-\sin^2 x = 2 - t^2$,原式$\displaystyle = 2\int_{0}^{1} \frac{1}{2-t^2} \mathrm{d}t = 2 \cdot \frac{1}{2\sqrt{2}} \ln\left|\frac{\sqrt{2}+t}{\sqrt{2}-t}\right|\Big|_{0}^{1} = \frac{1}{\sqrt{2}} \ln\frac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} = \frac{1}{\sqrt{2}} \ln(\sqrt{2}+1)^2 = \sqrt{2}\ln(\sqrt{2}+1)$。 **答案更正**:$\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{1}{2-t^2} \mathrm{d}t = \frac{1}{2\sqrt{2}}\ln\frac{\sqrt{2}+t}{\sqrt{2}-t}\Big|_{0}^{1} = \frac{1}{2\sqrt{2}}\ln\frac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1}$,乘以2得$\displaystyle \frac{1}{\sqrt{2}}\ln\frac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} = \frac{1}{\sqrt{2}}\ln(\sqrt{2}+1)^2 = \sqrt{2}\ln(\sqrt{2}+1)$。 **最终答案**:$\sqrt{2}\ln(\sqrt{2}+1)$ **难度**:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:拆分积分并利用奇偶性简化
将积分拆分为两项:I = ∫_{-π/2}^{π/2} (cos x)/(1+cos^2 x) dx + ∫_{-π/2}^{π/2} (x cos x)/(1+cos^2 x) dx。第二项被积函数为奇函数,在对称区间积分为0;第一项为偶函数,故 I = 2∫_{0}^{π/2} (cos x)/(1+cos^2 x) dx。
公式:奇函数在对称区间积分为0;偶函数在对称区间积分为2倍半区间积分
提示:注意识别被积函数的奇偶性,简化计算。
步骤 2/3
目标:换元积分
令 t = sin x,则 dt = cos x dx,x=0时t=0,x=π/2时t=1。由 cos^2 x = 1 - sin^2 x = 1 - t^2,得 1+cos^2 x = 2 - t^2。原积分化为 I = 2∫_{0}^{1} 1/(2-t^2) dt。
公式:∫ 1/(a^2 - t^2) dt = (1/(2a)) ln|(a+t)/(a-t)| + C
提示:换元时注意积分限的对应和三角恒等式的使用。
步骤 3/3
目标:计算定积分
计算 I = 2∫_{0}^{1} 1/(2-t^2) dt = 2 * [1/(2√2) ln|(√2+t)/(√2-t)|]_{0}^{1} = (1/√2) ln((√2+1)/(√2-1)) = (1/√2) ln((√2+1)^2) = √2 ln(√2+1)。
公式:∫ 1/(2-t^2) dt = (1/(2√2)) ln|(√2+t)/(√2-t)| + C
提示:注意对数运算性质,化简结果。

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