1.已知函数f(x)=(int_(0)^x|sin t|dt)/(x^a)在(0,+∞)上有界,则α的取值范围应为()A. (0,+∞)B. (0,3]C. [1,2]D. (1,3]
A. (0,+∞)
B. (0,3]
C. [1,2]
D. (1,3]
题目解答
答案
解析
本题考查函数有界性以及积分上限函数的相关知识。解题的关键思路是先分析函数$f(x)$在$x\to0^{+}$和$x\to +\infty$时的极限情况,根据函数有界的定义,这两个极限都应该存在且为有限值,由此确定$\alpha$的取值范围。
1. 分析$x\to0^{+}$时$f(x)$的极限
当$x\to0^{+}$时,$\int_{0}^{x}|\sin t|dt$是积分上限函数,且$\sin t$在$t = 0$附近可近似为$t$(因为$\lim\limits_{t\to0}\frac{\sin t}{t}=1$)。
根据洛必达法则,对于$\frac{0}{0}$型的极限$\lim\limits_{x\to0^{+}}\frac{\int_{0}^{x}|\sin t|dt}{x^{\alpha}}$,对分子分母分别求导。
由变上限积分求导公式$(\int_{a}^{x}f(t)dt)^\prime = f(x)$,可得$(\int_{0}^{x}|\sin t|dt)^\prime = |\sin x|$,$(x^{\alpha})^\prime = \alpha x^{\alpha - 1}$。
则$\lim\limits_{x\to0^{+}}\frac{\int_{0}^{x}|\sin t|dt}{x^{\alpha}}=\lim\limits_{x\to0^{+}}\frac{|\sin x|}{\alpha x^{\alpha - 1}}$。
因为当$x\to0^{+}$时,$|\sin x|\sim x$,所以$\lim\limits_{x\to0^{+}}\frac{|\sin x|}{\alpha x^{\alpha - 1}}=\lim\limits_{x\to0^{+}}\frac{x}{\alpha x^{\alpha - 1}}=\lim\limits_{x\to0^{+}}\frac{1}{\alpha x^{\alpha - 2}}$。
要使该极限存在且为有限值,则$\alpha - 2\leqslant0$,即$\alpha\leqslant2$。
2. 分析$x\to +\infty$时$f(x)$的极限
因为$|\sin t|\geqslant0$,且$|\sin t|$的周期为$\pi$,所以$\int_{0}^{x}|\sin t|dt$是单调递增的。
又因为$\int_{0}^{n\pi}|\sin t|dt = n\int_{0}^{\pi}\sin tdt$,而$\int_{0}^{\pi}\sin tdt = -\cos t\big|_{0}^{\pi}=-(\cos\pi - \cos0)= -(-1 - 1)= 2$,所以$\int_{0}^{n\pi}|\sin t|dt = 2n$。
当$x\to +\infty$时,$\int_{0}^{x}|\sin t|dt\to +\infty$。
要使$f(x)=\frac{\int_{0}^{x}|\sin t|dt}{x^{\alpha}}$在$(0, +\infty)$上有界,则$\lim\limits_{x\to +\infty}f(x)$存在且为有限值。
因为$\int_{0}^{x}|\sin t|dt$的增长速度是线性的(每$\pi$个单位长度积分值增加$2$),所以$x^{\alpha}$的增长速度不能比$\int_{0}^{x}|\sin t|dt$慢,即$\alpha\geqslant1$。
3. 综合两个极限情况确定$\alpha$的取值范围
结合$x\to0^{+}$和$x\to +\infty$时的极限情况,可得$1\leqslant\alpha\leqslant2$,即$\alpha$的取值范围是$[1, 2]$。