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数学
题目

5.[判断题]判断下列做法是否正确:令x=sin t(-(pi)/(2)<(pi)/(2)),则intsqrt(1-x^2)dx=intcos^2tdt=int(1+cos2t)/(2)dt=(t)/(2)+(sin2t)/(4)+C.()A 对B 错

5.[判断题] 判断下列做法是否正确:令$x=\sin t(-\frac{\pi}{2}<\frac{\pi}{2})$,则$\int\sqrt{1-x^{2}}dx=\int\cos^{2}tdt=\int\frac{1+\cos2t}{2}dt=\frac{t}{2}+\frac{\sin2t}{4}+C.$() A 对 B 错

题目解答

答案

为了判断给定的做法是否正确,让我们逐步分析解题过程。 给定的积分是: \[ \int \sqrt{1 - x^2} \, dx \] 解题过程建议使用代换 $ x = \sin t $ 其中 $ -\frac{\pi}{2} < t < \frac{\pi}{2} $。这个代换是有效的,因为正弦函数在区间 $ \left( -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right) $ 内是一对一的,其值域为 $ (-1, 1) $,与 $ x $ 的定义域相匹配。 使用这个代换,我们有: \[ dx = \cos t \, dt \] 将 $ x = \sin t $ 和 $ dx = \cos t \, dt $ 代入积分,我们得到: \[ \int \sqrt{1 - x^2} \, dx = \int \sqrt{1 - \sin^2 t} \cos t \, dt \] 由于 $ -\frac{\pi}{2} < t < \frac{\pi}{2} $, $ \cos t $ 是正的,所以 $ \sqrt{1 - \sin^2 t} = \cos t $。因此,积分变为: \[ \int \cos^2 t \, dt \] 接下来,我们使用余弦的二倍角恒等式, $ \cos^2 t = \frac{1 + \cos 2t}{2} $。将这个恒等式代入积分,我们得到: \[ \int \cos^2 t \, dt = \int \frac{1 + \cos 2t}{2} \, dt \] 我们可以将这个积分拆分为两个独立的积分: \[ \int \frac{1 + \cos 2t}{2} \, dt = \frac{1}{2} \int 1 \, dt + \frac{1}{2} \int \cos 2t \, dt \] 第一个积分很简单: \[ \frac{1}{2} \int 1 \, dt = \frac{t}{2} \] 对于第二个积分,我们使用代换 $ u = 2t $,所以 $ du = 2 \, dt $ 或 $ dt = \frac{1}{2} \, du $。将这个代换代入积分,我们得到: \[ \frac{1}{2} \int \cos 2t \, dt = \frac{1}{2} \int \cos u \cdot \frac{1}{2} \, du = \frac{1}{4} \int \cos u \, du = \frac{\sin u}{4} = \frac{\sin 2t}{4} \] 将两个结果相加,我们得到: \[ \frac{t}{2} + \frac{\sin 2t}{4} + C \] 然而,我们需要将答案表示为 $ x $ 的函数。因为 $ x = \sin t $,我们有 $ t = \arcsin x $。此外, $ \sin 2t = 2 \sin t \cos t = 2x \sqrt{1 - x^2} $。将这些代回表达式,我们得到: \[ \frac{\arcsin x}{2} + \frac{2x \sqrt{1 - x^2}}{4} + C = \frac{\arcsin x}{2} + \frac{x \sqrt{1 - x^2}}{2} + C \] 因此,正确的答案是: \[ \int \sqrt{1 - x^2} \, dx = \frac{\arcsin x}{2} + \frac{x \sqrt{1 - x^2}}{2} + C \] 给定的解题过程没有将最终答案表示为 $ x $ 的函数,所以严格来说,它并不完整。然而,积分过程本身是正确的。 因此,正确选项是: \[ \boxed{B} \]

解析

考查要点:本题主要考查三角代换法在积分中的应用,以及积分结果是否需要转换回原变量。

解题核心思路:

  1. 三角代换的正确性:判断代换是否合理,是否符合积分区间和函数定义域。
  2. 积分过程的准确性:验证每一步的代数变形和积分公式是否正确。
  3. 结果表达的规范性:积分结果是否必须以原变量表示,是否需要回代。

破题关键点:

  • 代换后的积分计算:虽然代换和积分步骤正确,但最终结果未转换回原变量$x$,导致答案不完整。

步骤分析

  1. 代换合理性:
    令$x = \sin t$,则$t \in \left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right)$,此时$\cos t > 0$,且$x \in (-1, 1)$,与被积函数$\sqrt{1 - x^2}$的定义域一致,代换合理。

  2. 积分转换:
    $dx = \cos t \, dt$,代入原积分得:
    $\int \sqrt{1 - x^2} \, dx = \int \cos^2 t \, dt$
    此处正确。

  3. 二倍角公式应用:
    利用$\cos^2 t = \frac{1 + \cos 2t}{2}$,积分变为:
    $\int \frac{1 + \cos 2t}{2} \, dt = \frac{t}{2} + \frac{\sin 2t}{4} + C$
    计算过程正确。

  4. 结果表达问题:
    最终结果$\frac{t}{2} + \frac{\sin 2t}{4} + C$中,变量$t$和$\sin 2t$需转换为$x$的表达式:

    • $t = \arcsin x$
    • $\sin 2t = 2 \sin t \cos t = 2x \sqrt{1 - x^2}$
      因此,正确结果应为:
      $\frac{\arcsin x}{2} + \frac{x \sqrt{1 - x^2}}{2} + C$
      题目未进行回代,结果不完整。

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