(25) int dfrac (1)(1+sqrt {1-{x)^2}}dx ;

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查三角替换法在积分中的应用,以及利用三角恒等式简化积分表达式的能力。
解题核心思路:
- 观察积分形式:分母中的$\sqrt{1-x^2}$提示使用三角替换$x = \sin t$,将根号转化为$\cos t$。
- 替换变量:通过替换将积分转化为关于$t$的三角函数积分。
- 分式拆分:将复杂分式拆分为简单分式的组合,利用半角公式进一步简化。
- 回代变量:将积分结果从$t$转换回$x$,得到最终答案。
破题关键点:
- 三角替换的选择:正确选择$x = \sin t$简化根号。
- 分式拆分技巧:将$\frac{\cos t}{1+\cos t}$拆分为$1 - \frac{1}{1+\cos t}$。
- 半角公式的应用:将$\frac{1}{1+\cos t}$转化为$\sec^2 \frac{t}{2}$。
三角替换与变量转换
设$x = \sin t$,则$dx = \cos t \, dt$,且$\sqrt{1-x^2} = \cos t$。原积分变为:
$\int \frac{1}{1+\cos t} \cdot \cos t \, dt = \int \frac{\cos t}{1+\cos t} \, dt.$
分式拆分与简化
将分式拆分为:
$\frac{\cos t}{1+\cos t} = 1 - \frac{1}{1+\cos t}.$
因此,积分变为:
$\int \left(1 - \frac{1}{1+\cos t}\right) dt = \int dt - \int \frac{1}{1+\cos t} dt.$
处理第二个积分
利用半角公式$1+\cos t = 2\cos^2 \frac{t}{2}$,得:
$\int \frac{1}{1+\cos t} dt = \int \frac{1}{2\cos^2 \frac{t}{2}} dt = \frac{1}{2} \int \sec^2 \frac{t}{2} \, dt.$
积分结果为:
$\frac{1}{2} \cdot 2 \tan \frac{t}{2} + C = \tan \frac{t}{2} + C.$
综合结果与回代
原积分结果为:
$t - \tan \frac{t}{2} + C.$
由于$x = \sin t$,故$t = \arcsin x$,且$\tan \frac{t}{2} = \frac{\sin t}{1+\cos t} = \frac{x}{1+\sqrt{1-x^2}}$。最终结果为:
$\arcsin x - \frac{x}{1+\sqrt{1-x^2}} + C.$