题目
14.已知函数f(t)=int_(1)^t^(2)dxint_(sqrt(x))^tsin(x)/(y)dy,则f'((pi)/(2))=____.
14.已知函数$f(t)=\int_{1}^{t^{2}}dx\int_{\sqrt{x}}^{t}\sin\frac{x}{y}dy$,则$f'(\frac{\pi}{2})=$____.
题目解答
答案
将函数 $ f(t) = \int_{1}^{t^2} dx \int_{\sqrt{x}}^{t} \sin \frac{x}{y} \, dy $ 交换积分次序,得
$f(t) = \int_{1}^{t} dy \int_{1}^{y^2} \sin \frac{x}{y} \, dx.$
对 $ f(t) $ 求导,应用莱布尼茨法则:
$f'(t) = \int_{1}^{t^2} \sin \frac{x}{t} \, dx.$
代入 $ t = \frac{\pi}{2} $,得
$f'\left(\frac{\pi}{2}\right) = \int_{1}^{\frac{\pi^2}{4}} \sin \left(\frac{2x}{\pi}\right) \, dx = \frac{\pi}{2} \cos \frac{2}{\pi}.$
答案: $\boxed{\frac{\pi}{2} \cos \frac{2}{\pi}}$
解析
本题考查变上限积分函数的求导以及二重积分交换积分次序的知识。解题的关键思路是先通过交换积分次序简化函数形式,再利用莱布尼茨法则对变上限积分函数求导,最后代入给定的值计算结果。
- 交换积分次序:
- 已知函数$f(t)=\int_{1}^{t^{2}}dx\int_{\sqrt{x}}^{t}\sin\frac{x}{y}dy$,积分区域$D$由$x = 1$,$x = t^2$,$y=\sqrt{x}$(即$x = y^2$),$y = t$所围成。
- 交换积分次序后,先对$x$积分,再对$y$积分,此时积分区域$D$可表示为$1\leqslant y\leqslant t$,$1\leqslant x\leqslant y^2$,所以$f(t)=\int_{1}^{t}dy\int_{1}^{y^{2}}\sin\frac{x}{y}dx$。
- 对$f(t)$求导:
- 对于变上限积分函数$f(t)=\int_{a(t)}^{b(t)}g(x,t)dx$,根据莱布尼茨法则$f^\prime(t)=g(b(t),t)\cdot b^\prime(t)-g(a(t),t)\cdot a^\prime(t)+\int_{a(t)}^{b(t)}\frac{\partial g(x,t)}{\partial t}dx$。
- 在$f(t)=\int_{1}^{t}dy\int_{1}^{y^{2}}\sin\frac{x}{y}dx$中,令$F(y)=\int_{1}^{y^{2}}\sin\frac{x}{y}dx$,则$f(t)=\int_{1}^{t}F(y)dy$。
- 根据变上限积分求导公式$(\int_{a}^{t}F(y)dy)^\prime = F(t)$,这里$F(t)=\int_{1}^{t^{2}}\sin\frac{x}{t}dx$,所以$f^\prime(t)=\int_{1}^{t^{2}}\sin\frac{x}{t}dx$。
- 代入$t = \frac{\pi}{2}$计算$f^\prime(\frac{\pi}{2})$:
- 当$t=\frac{\pi}{2}$时,$f^\prime(\frac{\pi}{2})=\int_{1}^{\frac{\pi^{2}}{4}}\sin(\frac{2x}{\pi})dx$。
- 计算积分$\int_{1}^{\frac{\pi^{2}}{4}}\sin(\frac{2x}{\pi})dx$,令$u = \frac{2x}{\pi}$,则$du=\frac{2}{\pi}dx$,$dx=\frac{\pi}{2}du$。
- 当$x = 1$时,$u=\frac{2}{\pi}$;当$x=\frac{\pi^{2}}{4}$时,$u = \frac{\pi}{2}$。
- 则$\int_{1}^{\frac{\pi^{2}}{4}}\sin(\frac{2x}{\pi})dx=\frac{\pi}{2}\int_{\frac{2}{\pi}}^{\frac{\pi}{2}}\sin udu$。
- 根据积分公式$\int\sin udu=-\cos u + C$,可得$\frac{\pi}{2}\int_{\frac{2}{\pi}}^{\frac{\pi}{2}}\sin udu=\frac{\pi}{2}[-\cos u]_{\frac{2}{\pi}}^{\frac{\pi}{2}}$。
- 计算$\frac{\pi}{2}[-\cos u]_{\frac{2}{\pi}}^{\frac{\pi}{2}}=\frac{\pi}{2}(0+\cos\frac{2}{\pi})=\frac{\pi}{2}\cos\frac{2}{\pi}$。