方企勤 第三章 一元函数积分学 第2题

教材习题

📝 题目

例 2 (1) 设 $f\left( x\right)$ 为 $\left\lbrack {-1,1}\right\rbrack$ 上的三次多项式,求证:

$$ {\int }_{-1}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x = \frac{1}{3}\{ f\left( {-1}\right) + {4f}\left( 0\right) + f\left( 1\right) \} . \tag{3.1} $$

(2)设 $f\left( x\right)$ 为 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 上的三次多项式,求证:

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x = \frac{b - a}{6}\left\{ {f\left( a\right) + {4f}\left( \frac{a + b}{2}\right) + f\left( b\right) }\right\} . \tag{3.2} $$

💡 答案解析

证(1)设 $f\left( x\right) = \alpha {x}^{3} + \beta {x}^{2} + {\gamma x} + \delta$ ,则

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

$$ = \frac{2\beta }{3} + {2\delta } = \frac{1}{3}\{ f\left( {-1}\right) + {4f}\left( 0\right) + f\left( 1\right) \} . $$

(2)令 $x = \frac{a + b}{2} + \frac{b - a}{2}t$ ,则

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x = {\int }_{-1}^{1}f\left( {\frac{a + b}{2} + \frac{b - a}{2}t}\right) \frac{b - a}{2}\mathrm{\;d}t $$

$$ \text{ 由第 (1) 小题 }\frac{b - a}{6}\left\{ {f\left( a\right) + {4f}\left( \frac{a + b}{2}\right) + f\left( b\right) }\right\} \text{ . } $$

\subsubsection{二、含定积分的等式证明}

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:证明(1):将三次多项式表示为一般形式,并利用奇偶性简化积分
设 f(x) = αx^3 + βx^2 + γx + δ。由于 x^3 和 x 是奇函数,在对称区间 [-1,1] 上积分为零,因此 ∫_{-1}^{1} f(x) dx = ∫_{-1}^{1} (βx^2 + δ) dx。再利用偶函数性质,∫_{-1}^{1} (βx^2 + δ) dx = 2∫_{0}^{1} (βx^2 + δ) dx。
公式:∫_{-1}^{1} x^3 dx = 0, ∫_{-1}^{1} x dx = 0
提示:奇函数在对称区间积分为零,偶函数积分可化为半区间两倍。
步骤 2/4
目标:计算积分并化为 f 在 -1,0,1 处的值
计算 2∫_{0}^{1} (βx^2 + δ) dx = 2[β/3 + δ] = 2β/3 + 2δ。另一方面,f(-1) = -α + β - γ + δ, f(0) = δ, f(1) = α + β + γ + δ。计算 (1/3)[f(-1) + 4f(0) + f(1)] = (1/3)[(-α+β-γ+δ) + 4δ + (α+β+γ+δ)] = (1/3)(2β + 6δ) = 2β/3 + 2δ。两边相等,得证。
公式:∫_{0}^{1} x^2 dx = 1/3
提示:代入端点值计算时注意合并同类项。
步骤 3/4
目标:证明(2):通过变量替换将区间 [a,b] 化为 [-1,1]
令 x = (a+b)/2 + ((b-a)/2) t,则当 x 从 a 到 b 时,t 从 -1 到 1,且 dx = ((b-a)/2) dt。于是 ∫_{a}^{b} f(x) dx = ∫_{-1}^{1} f((a+b)/2 + ((b-a)/2) t) * ((b-a)/2) dt。
公式:x = (a+b)/2 + ((b-a)/2) t, dx = ((b-a)/2) dt
提示:注意积分限的对应关系。
步骤 4/4
目标:应用第(1)小题的结论
令 g(t) = f((a+b)/2 + ((b-a)/2) t),则 g(t) 是 t 的三次多项式。由(1)知 ∫_{-1}^{1} g(t) dt = (1/3)[g(-1) + 4g(0) + g(1)]。代入得 ∫_{a}^{b} f(x) dx = ((b-a)/2) * (1/3)[f(a) + 4f((a+b)/2) + f(b)] = (b-a)/6 [f(a) + 4f((a+b)/2) + f(b)]。
公式:∫_{-1}^{1} g(t) dt = (1/3)[g(-1) + 4g(0) + g(1)]
提示:g(-1)=f(a), g(0)=f((a+b)/2), g(1)=f(b)。

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