19.(5.0分)求不定积分int(x)/(1+cos x)dx.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查不定积分的计算,涉及三角恒等式的应用和分部积分法的综合运用。关键在于将分母中的三角函数表达式进行恒等变形,简化积分形式,再通过分部积分逐步求解。
解题思路:
- 利用三角恒等式将分母$1+\cos x$转化为$2\cos^2\frac{x}{2}$,简化被积函数。
- 分部积分法:通过合理选择$u$和$dv$,将原积分转化为更易处理的形式。
- 处理剩余积分:对分部积分后得到的$\int \tan\frac{x}{2}dx$进行计算,并结合对数恒等式整理最终结果。
步骤1:应用三角恒等式
利用恒等式$1+\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2}$,原积分变为:
$\int \frac{x}{2\cos^2\frac{x}{2}}dx = \frac{1}{2}\int x \sec^2\frac{x}{2}dx.$
步骤2:分部积分法
设$u = x$,则$du = dx$;设$dv = \sec^2\frac{x}{2}dx$,则$v = \tan\frac{x}{2}$(因$\int \sec^2\frac{x}{2}dx = 2\tan\frac{x}{2}$)。
根据分部积分公式$\int u \, dv = uv - \int v \, du$,得:
$\frac{1}{2}\left( x\tan\frac{x}{2} - \int \tan\frac{x}{2}dx \right).$
步骤3:计算剩余积分
计算$\int \tan\frac{x}{2}dx$:
令$u = \frac{x}{2}$,则$du = \frac{dx}{2}$,即$dx = 2du$,积分变为:
$\int \tan u \cdot 2du = 2\int \tan u \, du = -2\ln|\cos u| + C = -2\ln\left|\cos\frac{x}{2}\right| + C.$
步骤4:整理结果
将结果代入原式:
$\frac{1}{2}x\tan\frac{x}{2} - \frac{1}{2}\left(-2\ln\left|\cos\frac{x}{2}\right|\right) + C = x\tan\frac{x}{2} + 2\ln\left|\cos\frac{x}{2}\right| + C.$
进一步利用恒等式$1+\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2}$,可将结果等价表示为:
$x\tan\frac{x}{2} + \ln(1+\cos x) + C.$