(int )_(0)^2xsqrt (2x-{x)^2}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,特别是通过换元法处理根号内的二次多项式,结合三角函数积分公式的应用。
解题核心思路:
- 整理根号内的表达式:将$2x - x^2$配方法转化为$\sqrt{1 - (x-1)^2}$,体现半圆的几何意义。
- 三角换元:令$x = 1 + \sin u$,将根号简化为$\cos u$,并调整积分变量。
- 对称性简化:利用积分区间的对称性,将奇函数部分抵消,仅保留偶函数部分。
- 余弦平方积分公式:应用$\cos^2 u = \frac{1 + \cos 2u}{2}$简化计算。
换元与积分区间调整
令$x = 1 + \sin u$,则$dx = \cos u \, du$,根号内表达式变为:
$\sqrt{2x - x^2} = \sqrt{1 - \sin^2 u} = \cos u.$
当$x$从$0$到$2$时,$u$从$-\frac{\pi}{2}$到$\frac{\pi}{2}$。
积分表达式转换
原积分变为:
$\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} (1 + \sin u) \cdot \cos u \cdot \cos u \, du = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} (1 + \sin u) \cos^2 u \, du.$
利用对称性简化
将被积函数拆分为两部分:
$\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 u \, du + \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin u \cos^2 u \, du.$
其中,$\sin u \cos^2 u$是奇函数,在对称区间上的积分为$0$,因此原积分简化为:
$\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 u \, du = 2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2 u \, du.$
应用余弦平方公式
利用$\cos^2 u = \frac{1 + \cos 2u}{2}$:
$2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1 + \cos 2u}{2} \, du = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 + \cos 2u) \, du.$
积分结果为:
$\left[ u + \frac{\sin 2u}{2} \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} = \frac{\pi}{2}.$