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练习(三)含有$\sqrt{a^n\pm x^n}$的积分

已有 3577 次阅读 2013-5-6 12:59 |个人分类:知识|系统分类:教学心得| 练习, 积分

《实用积分表》中国科学技术大学出版社2006年版
162页至164页

162.

$\int^{a}_{0}\sqrt{a^2+x^2}dx=a^2\int^{1}_{0}\sqrt{1+y^2}dy$
(令$y=x/a$)
$a^2\int^{1}_{0}\sqrt{1+y^2}dy=a^2\int^{\frac{\pi}{4}}_{0}\sec^3\theta d\theta$
(令$y=\tan\theta$)

$a^2\int^{\frac{\pi}{4}}_{0}\sec^3\theta d\theta=a^2\int^{\frac{\pi}{4}}_{0}\frac{d\sin\theta}{\cos^4\theta}=a^2\int^{\frac{\sqrt{2}}{2}}_{0}\frac{dz}{(1-z^2)^2}$
(令$z=\sin\theta$)
$a^2\int^{\frac{\sqrt{2}}{2}}_{0}\frac{dz}{(1-z^2)^2}=\frac{a^2}{4}\int^{\frac{\sqrt{2}}{2}}_{0}\left(\frac{1}{1-z}+\frac{1}{1+z}\right)^2 dz=\frac{a^2}{4}\int^{\frac{\sqrt{2}}{2}}_{0}\left[\frac{1}{(1-z)^2}+\frac{1}{(1+z)^2}+\frac{1}{1-z}+\frac{1}{1+z}\right]dz$
$=\frac{a^2}{4}\left[-\frac{1}{\frac{\sqrt{2}}{2}-1}-\frac{1}{\frac{\sqrt{2}}{2}+1}+\ln\left\vert\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}+1}{\frac{\sqrt{2}}{2}-1}\right\vert\right]$
$=\frac{a^2}{4}\left[-\frac{\sqrt{2}}{\frac{1}{2}-1}+\ln\frac{\sqrt{2}+2}{2-\sqrt{2}}\right]$
(注意到$\sqrt{2}+1=\frac{1}{\sqrt{2}-1}$)
$\frac{a^2}{4}\left[-\frac{\sqrt{2}}{\frac{1}{2}-1}+\ln\frac{\sqrt{2}+2}{2-\sqrt{2}}\right]=\frac{a^2}{4}\left[2\sqrt{2}+\ln[(\sqrt{2}+1)^2]\right]$

$=\frac{a^2}{2}\left[\sqrt{2}+\ln(\sqrt{2}+1)\right]$


177.
$\int^{\infty}_{0}\frac{x^{p-1}}{1+x^q}dx=\int^{\infty}_{0}\frac{x^{p-q}x^{q-1}}{\sqrt{1+x^q}}dx=\frac{1}{q}\int^{\infty}_{0}\frac{y^{\frac{p}{q}-1}}{\sqrt{1+y}}dy$
(令$y=x^q$)
$\frac{1}{q}\int^{\infty}_{0}\frac{y^{\frac{p}{q}-1}}{\sqrt{1+y}}dy=\frac{1}{q}\int^{\infty}_{1}\frac{(z-1)^{\frac{p}{q}-1}}{z^{\frac{1}{2}}}dz$
(令$z=1+y$)
$\frac{1}{q}\int^{\infty}_{1}\frac{(z-1)^{\frac{p}{q}-1}}{z^{\frac{1}{2}}}dz=\frac{1}{q}\int^{1}_{0}\frac{\left(\frac{1}{t}-1\right)^{\frac{p}{q}-1}}{\left(\frac{1}{t}\right)^{\frac{1}{2}}t^2}dt$
(令$t=1/z$)
$\frac{1}{q}\int^{1}_{0}\frac{\left(\frac{1}{t}-1\right)^{\frac{p}{q}-1}}{\left(\frac{1}{t}\right)^{\frac{1}{2}}t^2}dt=\frac{1}{q}\int^{1}_{0}t^{\frac{1}{2}-\frac{p}{q}-1}(1-t)^{\frac{p}{q}-1}dt=\frac{1}{q}B\left(\frac{p}{q},\frac{1}{2}-\frac{p}{q}\right)$



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