(int )_(0)^pi ((xsin x))^2dx;
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题目解答
答案
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解析
考查要点:本题主要考查定积分的计算,涉及三角函数的平方恒等式、分部积分法的应用,以及分部积分法的多次使用。
解题核心思路:
- 三角恒等式简化:利用$\sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}{2}$,将被积函数展开,转化为多项式与三角函数的组合。
- 分部积分法:对含$x^2 \cos 2x$的积分,通过两次分部积分逐步降次,最终转化为可直接计算的形式。
破题关键点:
- 正确应用分部积分:在处理$x^2 \cos 2x$时,需分部两次,分别消去$x^2$和$x$项。
- 上下限代入技巧:注意$\sin 2\pi = 0$和$\cos 2\pi = 1$的特殊值,简化计算。
原式展开:
$\int_0^\pi (x \sin x)^2 dx = \int_0^\pi x^2 \sin^2 x dx = \frac{1}{2} \int_0^\pi x^2 (1 - \cos 2x) dx$
拆分为两部分:
$= \frac{1}{2} \int_0^\pi x^2 dx - \frac{1}{2} \int_0^\pi x^2 \cos 2x dx$
计算第一部分:
$\frac{1}{2} \int_0^\pi x^2 dx = \frac{1}{2} \cdot \left[ \frac{x^3}{3} \right]_0^\pi = \frac{\pi^3}{6}$
处理第二部分:
设$u = x^2$,$dv = \cos 2x dx$,则$du = 2x dx$,$v = \frac{1}{2} \sin 2x$,分部积分得:
$\int x^2 \cos 2x dx = \frac{x^2}{2} \sin 2x - \int x \sin 2x dx$
代入上下限后,$\frac{x^2}{2} \sin 2x \bigg|_0^\pi = 0$,故:
$-\frac{1}{2} \int_0^\pi x^2 \cos 2x dx = \frac{1}{2} \int_0^\pi x \sin 2x dx$
再次分部积分:
设$u = x$,$dv = \sin 2x dx$,则$du = dx$,$v = -\frac{1}{2} \cos 2x$,得:
$\int x \sin 2x dx = -\frac{x}{2} \cos 2x + \frac{1}{2} \int \cos 2x dx$
计算得:
$-\frac{x}{2} \cos 2x \bigg|_0^\pi = -\frac{\pi}{2} \cdot 1 + 0 = -\frac{\pi}{2}, \quad \frac{1}{2} \int \cos 2x dx = \frac{1}{4} \sin 2x \bigg|_0^\pi = 0$
因此:
$\int_0^\pi x \sin 2x dx = -\frac{\pi}{2}$
最终结果:
$\frac{\pi^3}{6} - \frac{1}{2} \cdot \left( -\frac{\pi}{2} \right) = \frac{\pi^3}{6} - \frac{\pi}{4}$