(14)求定积分int_(0)^3arcsinsqrt((x)/(1+x))dx=____.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查定积分的计算,涉及变量替换法和分部积分法的综合应用,以及三角恒等式的灵活运用。
解题核心思路:
- 变量替换:通过设$t = \arcsin \sqrt{\frac{x}{1+x}}$,将原积分转化为关于$t$的积分,简化被积函数。
- 分部积分:对转化后的积分应用分部积分法,降低积分复杂度。
- 三角恒等式:利用$\tan^2 t = \sec^2 t - 1$简化剩余积分。
破题关键点:
- 变量替换的选择:通过观察被积函数的结构,选择合适的替换变量,将复杂的根式转化为三角函数形式。
- 分部积分的策略:合理选择$u$和$dv$,使积分过程简化。
- 积分结果的化简:利用三角恒等式将$\tan^2 t$转化为更易积分的形式。
变量替换:
设$t = \arcsin \sqrt{\frac{x}{1+x}}$,则$\sqrt{\frac{x}{1+x}} = \sin t$,平方得$\frac{x}{1+x} = \sin^2 t$,解得$x = \tan^2 t$。
当$x$从$0$变到$3$时,$t$从$0$变到$\frac{\pi}{3}$。对$x$求导得$dx = 2 \tan t \sec^2 t \, dt$。
积分转化:
原积分变为:
$\int_{0}^{3} \arcsin \sqrt{\frac{x}{1+x}} \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} t \cdot 2 \tan t \sec^2 t \, dt.$
分部积分:
设$u = t$,$dv = 2 \tan t \sec^2 t \, dt$,则$du = dt$,$v = \tan^2 t$。
分部积分公式得:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} t \cdot 2 \tan t \sec^2 t \, dt = \left[ t \tan^2 t \right]_{0}^{\frac{\pi}{3}} - \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \tan^2 t \, dt.$
计算边界项:
当$t = \frac{\pi}{3}$时,$\tan \frac{\pi}{3} = \sqrt{3}$,故$\left[ t \tan^2 t \right]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \frac{\pi}{3} \cdot 3 - 0 = \pi$。
计算剩余积分:
利用$\tan^2 t = \sec^2 t - 1$,得:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \tan^2 t \, dt = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} (\sec^2 t - 1) \, dt = \left[ \tan t - t \right]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \left( \sqrt{3} - \frac{\pi}{3} \right) - 0 = \sqrt{3} - \frac{\pi}{3}.$
最终结果:
$\pi - \left( \sqrt{3} - \frac{\pi}{3} \right) = \frac{4\pi}{3} - \sqrt{3}.$