方企勤 第三章 一元函数积分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 设 $f\left( x\right) = \left\{ \begin{array}{ll} 1 + {x}^{2}, & x < 0, \\ {\mathrm{e}}^{-x}, & x \geq 0, \end{array}\right.$ 求 $\displaystyle{\int }_{1}^{3}f\left( {x - 2}\right) \mathrm{d}x$ .

💡 答案解析

解法 1 作变量代换 $t = x - 2$ ,则

$$ {\int }_{1}^{3}f\left( {x - 2}\right) \mathrm{d}x = {\int }_{-1}^{1}f\left( t\right) \mathrm{d}t = {\int }_{-1}^{0}f\left( t\right) \mathrm{d}t + {\int }_{0}^{1}f\left( t\right) \mathrm{d}t $$

$$ = {\int }_{-1}^{0}\left\lbrack {1 + {t}^{2}}\right\rbrack \mathrm{d}t + {\int }_{0}^{1}{\mathrm{e}}^{-t}\mathrm{\;d}t = 1 + {\left. \frac{1}{3} - {\mathrm{e}}^{-t}\right| }_{0}^{1} $$

$$ = 1 + \frac{1}{3} - \frac{1}{\mathrm{e}} + 1 = \frac{7}{3} - \frac{1}{\mathrm{e}}. $$

解法 2 因为

$$ f\left( x\right) = \left\{ \begin{array}{ll} 1 + {x}^{2}, & x < 0 \\ {\mathrm{e}}^{-x}, & x \geq 0 \end{array}\right. $$

$$ \Rightarrow f\left( {x - 2}\right) = \left\{ \begin{array}{ll} 1 + {\left( x - 2\right) }^{2}, & x < 2, \\ {\mathrm{e}}^{2 - x}, & x \geq 2, \end{array}\right. $$

所以

$$ {\int }_{1}^{3}f\left( {x - 2}\right) \mathrm{d}x = {\int }_{1}^{2}\left\lbrack {1 + {\left( x - 2\right) }^{2}}\right\rbrack \mathrm{d}x + {\int }_{2}^{3}{\mathrm{e}}^{2 - x}\mathrm{\;d}x $$

$$ = {\left. 1 - \frac{1}{3}{\left( x - 2\right) }^{3}\right| }_{1}^{2} - {\left. {\mathrm{e}}^{2 - x}\right| }_{2}^{3} $$

$$ = 1 + \frac{1}{3} - \frac{1}{\mathrm{e}} + 1 = \frac{7}{3} - \frac{1}{\mathrm{e}}. $$

评注 以上两种解法, 解法 1 容易操作些, 先通过变量代换分别将被积函数的积分变量和积分上、下限进行替换和变限, 再将积分区间按分段函数的方式分段,并将积分写成分段相加,最后代入各段相应的表达式, 就便于积分了.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:变量代换简化积分
令 t = x - 2,则当 x=1 时 t=-1,当 x=3 时 t=1,dx = dt,原积分化为 ∫_{-1}^{1} f(t) dt。
公式:t = x - 2
提示:变量代换时注意积分限的变化。
步骤 2/5
目标:分段积分
由于 f(t) 在 t<0 和 t≥0 表达式不同,将积分区间 [-1,1] 分为 [-1,0] 和 [0,1],即 ∫_{-1}^{1} f(t) dt = ∫_{-1}^{0} (1+t^2) dt + ∫_{0}^{1} e^{-t} dt。
公式:f(t) = 1+t^2 (t<0), e^{-t} (t≥0)
提示:注意分段点 t=0 处函数定义。
步骤 3/5
目标:计算第一段积分
计算 ∫_{-1}^{0} (1+t^2) dt = [t + t^3/3]_{-1}^{0} = (0) - (-1 - 1/3) = 1 + 1/3 = 4/3。
公式:∫ (1+t^2) dt = t + t^3/3
提示:代入上下限时注意符号。
步骤 4/5
目标:计算第二段积分
计算 ∫_{0}^{1} e^{-t} dt = [-e^{-t}]_{0}^{1} = (-e^{-1}) - (-1) = 1 - 1/e。
公式:∫ e^{-t} dt = -e^{-t}
提示:注意原函数为 -e^{-t}。
步骤 5/5
目标:求和得结果
将两段积分相加:4/3 + (1 - 1/e) = 7/3 - 1/e。
提示:合并同类项。

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