方企勤 第三章 一元函数积分学 第10题

教材习题

📝 题目

例 10 求不定积分 $\displaystyle{I = \int \frac{{\cos }^{3}x}{\cos x + \sin x}\mathrm{\;d}x,J = \int \frac{{\sin }^{3}x}{\cos x + \sin x}\mathrm{\;d}x}$ .

💡 答案解析

解 $I + J = \int \left( {1 - \frac{1}{2}\sin {2x}}\right) \mathrm{d}x = x + \frac{1}{4}\cos {2x} + C$ ,

$$ I - J = \int \frac{{\cos }^{3}x - {\sin }^{3}x}{\cos x + \sin x}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \int \frac{\left( {\cos x - \sin x}\right) \left( {1 + \frac{1}{2}\sin {2x}}\right) }{\cos x + \sin x}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \int \frac{\left( {{\cos }^{2}x - {\sin }^{2}x}\right) \left( {1 + \frac{1}{2}\sin {2x}}\right) }{{\left( \cos x + \sin x\right) }^{2}}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \int \frac{\left( {1 + \frac{1}{2}\sin {2x}}\right) \cos {2x}}{1 + \sin {2x}}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \frac{1}{4}\sin {2x} + \frac{1}{4}\ln \left( {\sin {2x} + 1}\right) + C, $$

由此求得

$$ I = \frac{1}{2}x + \frac{1}{8}\cos {2x} + \frac{1}{8}\sin {2x} + \frac{1}{8}\ln \left( {2\sin {2x} + 2}\right) + C, $$

$$ J = \frac{1}{2}x + \frac{1}{8}\cos {2x} - \frac{1}{8}\sin {2x} - \frac{1}{8}\ln \left( {2\sin {2x} + 2}\right) + C. $$

评注

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:计算 I+J
将 I 和 J 相加,被积函数为 (cos^3 x + sin^3 x)/(cos x + sin x)。利用立方和公式 cos^3 x + sin^3 x = (cos x + sin x)(cos^2 x - cos x sin x + sin^2 x) = (cos x + sin x)(1 - (1/2) sin 2x),化简后积分得 x + (1/4) cos 2x + C。
公式:cos^3 x + sin^3 x = (cos x + sin x)(1 - (1/2) sin 2x)
提示:注意立方和公式的应用。
步骤 2/3
目标:计算 I-J
将 I 和 J 相减,被积函数为 (cos^3 x - sin^3 x)/(cos x + sin x)。利用立方差公式 cos^3 x - sin^3 x = (cos x - sin x)(cos^2 x + cos x sin x + sin^2 x) = (cos x - sin x)(1 + (1/2) sin 2x)。然后分子分母同乘 (cos x + sin x) 以利用 cos^2 x - sin^2 x = cos 2x,分母变为 (cos x + sin x)^2 = 1 + sin 2x。因此积分化为 ∫ (cos 2x (1 + (1/2) sin 2x))/(1 + sin 2x) dx。令 u = sin 2x,则 du = 2 cos 2x dx,积分变为 (1/2)∫ (1 + u/2)/(1+u) du = (1/2)∫ (1/2 + (1/2)/(1+u)) du = (1/4)u + (1/4)ln|1+u| + C,即 (1/4) sin 2x + (1/4) ln(1+ sin 2x) + C。
公式:cos^3 x - sin^3 x = (cos x - sin x)(1 + (1/2) sin 2x); (cos x + sin x)^2 = 1 + sin 2x
提示:注意分子分母同乘 cos x + sin x 以简化分母。
步骤 3/3
目标:解出 I 和 J
由 I+J = x + (1/4) cos 2x + C1 和 I-J = (1/4) sin 2x + (1/4) ln(1+ sin 2x) + C2,相加得 2I = x + (1/4) cos 2x + (1/4) sin 2x + (1/4) ln(1+ sin 2x) + C,所以 I = (1/2)x + (1/8) cos 2x + (1/8) sin 2x + (1/8) ln(1+ sin 2x) + C。相减得 2J = x + (1/4) cos 2x - (1/4) sin 2x - (1/4) ln(1+ sin 2x) + C,所以 J = (1/2)x + (1/8) cos 2x - (1/8) sin 2x - (1/8) ln(1+ sin 2x) + C。注意答案中 ln 项写为 ln(2 sin 2x + 2) 等价于 ln(1+ sin 2x) + ln 2,常数合并。
公式:I = (I+J + I-J)/2, J = (I+J - (I-J))/2
提示:注意常数合并。

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