(int )_(1)^2dfrac (sqrt {{x)^2-1}}(x)dx
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查定积分的计算,特别是涉及根号和分式的积分,需要灵活运用三角替换法进行化简。
解题核心思路:
当积分中出现$\sqrt{x^2 - a^2}$的形式时,通常采用三角替换,令$x = a \sec \theta$,将根号内的表达式转化为$\tan \theta$,从而简化积分。本题中$a=1$,因此替换为$x = \sec \theta$,并结合三角恒等式$\tan^2 \theta = \sec^2 \theta - 1$进行计算。
破题关键点:
- 变量替换:选择$x = \sec \theta$,将积分区间转换为$\theta$的范围。
- 化简积分式:利用三角恒等式将被积函数转化为$\tan^2 \theta$,进一步拆分为$\sec^2 \theta - 1$,便于积分。
- 代入上下限:注意替换后上下限的对应角度值,代入计算最终结果。
步骤1:变量替换
令$x = \sec \theta$,则$dx = \sec \theta \tan \theta d\theta$。
当$x = 1$时,$\sec \theta = 1 \Rightarrow \theta = 0$;
当$x = 2$时,$\sec \theta = 2 \Rightarrow \theta = \frac{\pi}{3}$。
步骤2:化简被积函数
原积分变为:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{\sqrt{\sec^2 \theta - 1}}{\sec \theta} \cdot \sec \theta \tan \theta d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \tan^2 \theta d\theta$
步骤3:利用三角恒等式
由$\tan^2 \theta = \sec^2 \theta - 1$,积分变为:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} (\sec^2 \theta - 1) d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \sec^2 \theta d\theta - \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} 1 d\theta$
步骤4:逐项积分
- $\int \sec^2 \theta d\theta = \tan \theta + C$
- $\int 1 d\theta = \theta + C$
因此,积分结果为:
$\left[ \tan \theta - \theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{3}}$
步骤5:代入上下限
当$\theta = \frac{\pi}{3}$时,$\tan \frac{\pi}{3} = \sqrt{3}$,对应项为$\sqrt{3} - \frac{\pi}{3}$;
当$\theta = 0$时,$\tan 0 = 0$,对应项为$0 - 0 = 0$。
最终结果为:
$\left( \sqrt{3} - \frac{\pi}{3} \right) - 0 = \sqrt{3} - \frac{\pi}{3}$