5 int_(0)^1xarcsinsqrt(4x-4x^2)dx=
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查定积分的变量替换法和分部积分法的应用,以及对复杂被积函数的化简能力。
解题核心思路:
- 变量替换:通过令$t = \arcsin \sqrt{4x - 4x^2}$,将原积分转化为关于$t$的三角函数积分,简化被积表达式。
- 积分拆分:将积分拆分为两个更易处理的部分,分别应用分部积分法。
- 分部积分:对含$t \sin t$和$t \sin 2t$的积分进行分部积分,最终求得结果。
破题关键点:
- 识别被积函数中的隐藏三角恒等式,通过变量替换将根号表达式转化为三角函数形式。
- 正确处理积分上下限和微分符号,避免计算错误。
- 灵活拆分积分项,利用三角恒等式(如$\sin 2t = 2 \sin t \cos t$)简化计算。
变量替换:
令$t = \arcsin \sqrt{4x - 4x^2}$,则$\sin t = \sqrt{4x - 4x^2}$,平方得$\sin^2 t = 4x(1 - x)$。
解得$x = \frac{1 + \cos t}{2}$,微分得$dx = -\frac{\sin t}{2} dt$。
当$x = 0$时,$t = \pi$;当$x = 1$时,$t = 0$,积分上下限交换并调整符号。
积分转换:
原积分变为:
$\begin{aligned}\int_{0}^{1} x \arcsin \sqrt{4x - 4x^2} \, dx &= \int_{\pi}^{0} \frac{1 + \cos t}{2} \cdot t \cdot \left(-\frac{\sin t}{2}\right) dt \\&= \frac{1}{4} \int_{0}^{\pi} t \sin t \, dt + \frac{1}{8} \int_{0}^{\pi} t \sin 2t \, dt.\end{aligned}$
分部积分计算:
-
第一项:$\int_{0}^{\pi} t \sin t \, dt$
设$u = t$,$dv = \sin t \, dt$,则$du = dt$,$v = -\cos t$,分部积分得:
$\left[ -t \cos t \right]_{0}^{\pi} + \int_{0}^{\pi} \cos t \, dt = \pi + 0 = \pi.$ -
第二项:$\int_{0}^{\pi} t \sin 2t \, dt$
设$u = t$,$dv = \sin 2t \, dt$,则$du = dt$,$v = -\frac{1}{2} \cos 2t$,分部积分得:
$\left[ -\frac{t}{2} \cos 2t \right]_{0}^{\pi} + \frac{1}{2} \int_{0}^{\pi} \cos 2t \, dt = -\frac{\pi}{2}.$
合并结果:
$\frac{1}{4} \cdot \pi + \frac{1}{8} \cdot \left( -\frac{\pi}{2} \right) = \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{16} = \frac{3\pi}{16}.$