234 设函数f(x)连续,则在下列变上限积分定义的函数中,必为偶函数的是(A) int_(0)^xt[f(t)-f(-t)]dt. (B) int_(0)^xt[f(t)+f(-t)]dt.(C) int_(0)^xf(t^2)dt. (D) int_(0)^x[f(t)]^2dt.
题目解答
答案
为了判断哪个变上限积分定义的函数必为偶函数,我们需要利用偶函数的定义:如果一个函数 $F(x)$ 满足 $F(-x) = F(x)$,那么它就是偶函数。
已知函数 $f(x)$ 连续,我们设各个选项中的变上限积分为 $F(x)$,即 $F(x) = \int_0^x g(t) \text{d}t$。
对于变上限积分 $F(x) = \int_0^x g(t) \text{d}t$,如果其被积函数 $g(t)$ 是奇函数,那么 $F(x)$ 就是偶函数;如果 $g(t)$ 是偶函数,那么 $F(x)$ 就是奇函数。
我们来推导 $F(-x)$ 的表达式:
$F(-x) = \int_0^{-x} g(t) \text{d}t$
令 $u = -t$,则 $t = -u$,$\text{d}t = -\text{d}u$。当 $t=0$ 时,$u=0$;当 $t=-x$ 时,$u=x$。
代入积分得:
$F(-x) = \int_0^x g(-u) (-\text{d}u) = -\int_0^x g(-u) \text{d}u$
要使 $F(x)$ 为偶函数,即 $F(-x) = F(x)$,则有:
$-\int_0^x g(-u) \text{d}u = \int_0^x g(u) \text{d}u$
这意味着被积函数必须满足 $g(-u) = -g(u)$,即 $g(t)$ 必须是一个奇函数。
现在我们逐个分析四个选项中的被积函数 $g(t)$:
(A) 选项: $F(x) = \int_0^x t[f(t) - f(-t)] \text{d}t$
被积函数为 $g(t) = t[f(t) - f(-t)]$。
计算 $g(-t)$:
$g(-t) = (-t)[f(-t) - f(-(-t))] = -t[f(-t) - f(t)] = t[f(t) - f(-t)] = g(t)$
因为 $g(-t) = g(t)$,所以 $g(t)$ 是偶函数。偶函数的变上限积分是奇函数,因此该选项定义的函数是奇函数。
(B) 选项: $F(x) = \int_0^x t[f(t) + f(-t)] \text{d}t$
被积函数为 $g(t) = t[f(t) + f(-t)]$。
计算 $g(-t)$:
$g(-t) = (-t)[f(-t) + f(-(-t))] = -t[f(-t) + f(t)] = -t[f(t) + f(-t)] = -g(t)$
因为 $g(-t) = -g(t)$,所以 $g(t)$ 是奇函数。奇函数的变上限积分是偶函数,因此该选项定义的函数必为偶函数。
(C) 选项: $F(x) = \int_0^x f(t^2) \text{d}t$
被积函数为 $g(t) = f(t^2)$。
计算 $g(-t)$:
$g(-t) = f((-t)^2) = f(t^2) = g(t)$
因为 $g(-t) = g(t)$,所以 $g(t)$ 是偶函数。偶函数的变上限积分是奇函数,因此该选项定义的函数是奇函数。
(D) 选项: $F(x) = \int_0^x [f(t)]^2 \text{d}t$
被积函数为 $g(t) = [f(t)]^2$。
由于题目只说明 $f(x)$ 连续,并未说明其奇偶性。如果 $f(t)$ 既不是奇函数也不是偶函数,那么 $[f(t)]^2$ 也不一定具有特定的奇偶性,其积分也就未必是偶函数。例如,若 $f(t) = t+1$,则 $g(t) = (t+1)^2 = t^2+2t+1$,它既非奇也非偶,其积分 $F(x) = \frac{1}{3}x^3 + x^2 + x$ 显然不是偶函数。
综上所述,只有 (B) 选项中的被积函数必定是奇函数,从而其变上限积分必定是偶函数。
正确答案是 (B)。
解析
本题考查变上限积分函数的奇偶性判断,解题的关键在于利用偶函数的定义以及变上限积分函数奇偶性与被积函数奇偶性的关系。若变上限积分函数$F(x)=\int_{0}^{x}g(t)dt$,当被积函数$g(t)$是奇函数时,$F(x)$是偶函数;当被积函数$g(t)$是偶函数时,$F(x)$是奇函数。下面我们通过换元法推导$F(-x)$与$F(x)$的关系:
设$F(x)=\int_{0}^{x}g(t)dt$,则$F(-x)=\int_{0}^{-x}g(t)dt$。
令$u = -t$,则$t = -u$,$dt = -du$。当$t = 0$时,$u = 0$;当$t = -x$时,$u = x$。
将其代入积分可得:
$F(-x)=\int_{0}^{x}g(-u)(-du)=-\int_{0}^{x}g(-u)du$
若$F(x)$为偶函数,则$F(-x)=F(x)$,即$-\int_{0}^{x}g(-u)du=\int_{0}^{x}g(u)du$,这意味着$g(-u)= -g(u)$,也就是$g(t)$是奇函数。
接下来我们逐个分析四个选项:
- (A)选项:
设$F(x)=\int_{0}^{x}t[f(t) - f(-t)]dt$,被积函数$g(t)=t[f(t) - f(-t)]$。
计算$g(-t)$:
$g(-t)=(-t)[f(-t) - f(-(-t))]= -t[f(-t) - f(t)]=t[f(t) - f(-t)] = g(t)$
因为$g(-t)=g(t)$,所以$g(t)$是偶函数,那么该选项定义的函数是奇函数。 - (B)选项:
设$F(x)=\int_{0}^{x}t[f(t) + f(-t)]dt$,被积函数$g(t)=t[f(t) + f(-t)]$。
计算$g(-t)$:
$g(-t)=(-t)[f(-t) + f(-(-t))]= -t[f(-t) + f(t)]= -t[f(t) + f(-t)] = -g(t)$
因为$g(-t)= -g(t)$,所以$g(t)$是奇函数,那么该选项定义的函数必为偶函数。 - (C)选项:
设$F(x)=\int_{0}^{x}f(t^2)dt$,被积函数$g(t)=f(t^2)$。
计算$g(-t)$:
$g(-t)=f((-t)^2)=f(t^2)=g(t)$
因为$g(-t)=g(t)$,所以$g(t)$是偶函数,那么该选项定义的函数是奇函数。 - (D)选项:
设$F(x)=\int_{0}^{x}[f(t)]^2dt$,被积函数$g(t)=[f(t)]^2$。
由于题目仅说明$f(x)$连续,未说明其奇偶性。若$f(t)$既不是奇函数也不是偶函数,那么$[f(t)]^2$也不一定具有特定的奇偶性,其积分也就未必是偶函数。例如,若$f(t)=t + 1$,则$g(t)=(t + 1)^2=t^2 + 2t + 1$,它既非奇也非偶,其积分$F(x)=\int_{0}^{x}(t^2 + 2t + 1)dt=\left[\frac{1}{3}t^3 + t^2 + t\right]_0^x=\frac{1}{3}x^3 + x^2 + x$显然不是偶函数。