题目
4.已知f(x)连续,int_(0)^x tf(x-t)dt=1-cos x,求int_(0)^(pi)/(2) f(x)dx的值.
4.已知f(x)连续,$\int_{0}^{x} tf(x-t)dt=1-\cos x$,求$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(x)dx$的值.
题目解答
答案
令 $ u = x - t $,则 $ du = -dt $。当 $ t = 0 $ 时,$ u = x $;当 $ t = x $ 时,$ u = 0 $。原积分可改写为:
\[
\int_{0}^{x} tf(x-t) \, dt = \int_{x}^{0} (x-u)f(u) \, (-du) = \int_{0}^{x} (x-u)f(u) \, du
\]
展开得:
\[
\int_{0}^{x} (x-u)f(u) \, du = x \int_{0}^{x} f(u) \, du - \int_{0}^{x} uf(u) \, du
\]
根据题意,有:
\[
x \int_{0}^{x} f(u) \, du - \int_{0}^{x} uf(u) \, du = 1 - \cos x
\]
对两边关于 $ x $ 求导,利用积分求导法则:
\[
\int_{0}^{x} f(u) \, du + x f(x) - x f(x) = \sin x
\]
化简得:
\[
\int_{0}^{x} f(u) \, du = \sin x
\]
令 $ x = \frac{\pi}{2} $,则:
\[
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(u) \, du = \sin \frac{\pi}{2} = 1
\]
因此,$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(x) \, dx = 1$。
答案:1
解析
本题主要考查定积分的换元法、积分的运算以及变上限积分求导法则。解题的关键思路是先通过换元法将给定的积分式子进行化简,然后对化简后的等式两边求导,从而得到关于$f(x)$的积分表达式,最后代入特定的值求解。
- 换元化简积分式子:
- 令$u = x - t$,则$du = -dt$。
- 当$t = 0$时,$u = x$;当$t = x$时,$u = 0$。
- 原积分$\int_{0}^{x} tf(x - t)dt$可改写为:
$\int_{0}^{x} tf(x - t)dt=\int_{x}^{0} (x - u)f(u)(-du)$
根据定积分的性质$\int_{a}^{b}F(x)dx=-\int_{b}^{a}F(x)dx$,上式可进一步化为$\int_{0}^{x} (x - u)f(u)du$。
- 展开积分式子:
根据乘法分配律$a(b - c)=ab - ac$,将$\int_{0}^{x} (x - u)f(u)du$展开得:
$\int_{0}^{x} (x - u)f(u)du=x\int_{0}^{x} f(u)du-\int_{0}^{x} uf(u)du$ - 根据已知条件建立等式并求导:
已知$\int_{0}^{x} tf(x - t)dt = 1 - \cos x$,结合前面的化简结果可得:
$x\int_{0}^{x} f(u)du-\int_{0}^{x} uf(u)du = 1 - \cos x$
等式两边同时对$x$求导,根据求导的加法法则$(F(x)-G(x))^\prime=F^\prime(x)-G^\prime(x)$以及乘积的求导法则$(uv)^\prime=u^\prime v + uv^\prime$和变上限积分求导法则$(\int_{a}^{x}F(t)dt)^\prime=F(x)$:- 对$x\int_{0}^{x} f(u)du$求导,令$u(x)=x$,$v(x)=\int_{0}^{x} f(u)du$,则$(x\int_{0}^{x} f(u)du)^\prime=(x)^\prime\int_{0}^{x} f(u)du+x(\int_{0}^{x} f(u)du)^\prime=\int_{0}^{x} f(u)du+xf(x)$。
- 对$\int_{0}^{x} uf(u)du$求导,根据变上限积分求导法则可得$(\int_{0}^{x} uf(u)du)^\prime=xf(x)$。
- 对$1 - \cos x$求导,$(1 - \cos x)^\prime=(1)^\prime-(\cos x)^\prime=0-(-\sin x)=\sin x$。
所以求导后得到:
$\int_{0}^{x} f(u)du+xf(x)-xf(x)=\sin x$
化简得:
$\int_{0}^{x} f(u)du=\sin x$
- 代入特定值求解:
令$x = \frac{\pi}{2}$,则:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(u)du=\sin\frac{\pi}{2}=1$
因为定积分的值与积分变量的符号无关,所以$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} f(x)dx = 1$。