积分 I_1 = int_(1)^2 ln x , dx 与 I_2 = int_(1)^2 ln^2 x , dx 的大小关系是().A. I_1 > I_2B. I_1 geq I_2C. I_1 D. I_1 leq I_2
A. $I_1 > I_2$
B. $I_1 \geq I_2$
C. $I_1 < I_2$
D. $I_1 \leq I_2$
题目解答
答案
解析
本题考查定积分的性质以及函数大小比较的知识。解题的关键思路是通过比较被积函数在给定区间上的大小关系,再利用定积分的保序性来判断两个定积分的大小。
步骤一:分析被积函数在区间$[1, 2]$上的大小关系
设$f(x)=\ln x$,$g(x)=\ln^{2}x$,考虑$f(x)-g(x)=\ln x - \ln^{2}x=\ln x(1 - \ln x)$。
令$t = \ln x$,当$x\in[1, 2]$时,因为对数函数$y = \ln x$在$(0,+\infty)$上单调递增,所以$\ln 1\leqslant\ln x\leqslant\ln 2$,即$0\leqslant t\leqslant\ln 2$。
此时$f(x)-g(x)=t(1 - t)$,对于二次函数$y=t(1 - t)=-t^{2}+t$,其二次项系数$a=-1\lt0$,图象开口向下,对称轴为$t =-\frac{b}{2a}=-\frac{1}{2\times(-1)}=\frac{1}{2}$。
在区间$[0,\ln 2]$上,$y=t(1 - t)\geqslant0$(当且仅当$t = 0$或$t = 1$时取等号),而在区间$(1, 2)$上,$0\lt\ln x\lt\ln 2\lt1$,所以$\ln x(1 - \ln x)\gt0$,即$\ln x\gt\ln^{2}x$,$x\in(1, 2)$。
步骤二:利用定积分的保序性判断$I_1$与$I_2$的大小
定积分的保序性为:若在区间$[a, b]$上,$f(x)\geqslant g(x)$,且$f(x)$与$g(x)$不恒等,则$\int_{a}^{b}f(x)dx\gt\int_{a}^{b}g(x)dx$。
因为在区间$(1, 2)$上$\ln x\gt\ln^{2}x$,所以$\int_{1}^{2}\ln xdx\gt\int_{1}^{2}\ln^{2}xdx$,即$I_1\gt I_2$。