• 高等数学(第七版)同济大学 习题5-4 个人解答


    高等数学(第七版)同济大学 习题5-4

     

    1.  判定下列各反常积分的收敛性,如果收敛,计算反常积分的值: 1.  1. 判定下列各反常积分的收敛性,如果收敛,计算反常积分的值:

       ( 1 )    ∫ 1 + ∞ d x x 4 ;                                                ( 2 )    ∫ 1 + ∞ d x x ;    ( 3 )    ∫ 0 + ∞ e − a x d x   ( a > 0 ) ;                            ( 4 )    ∫ 0 + ∞ d x ( 1 + x ) ( 1 + x 2 ) ;    ( 5 )    ∫ 0 + ∞ e − p t s i n   ω t d t   ( p > 0 , ω > 0 ) ;     ( 6 )    ∫ − ∞ + ∞ d x x 2 + 2 x + 2 ;    ( 7 )    ∫ 0 1 x d x 1 − x 2 ;                                          ( 8 )    ∫ 0 2 d x ( 1 − x ) 2 ;    ( 9 )    ∫ 1 2 x d x x − 1 ;                                            ( 10 )    ∫ 1 e d x x 1 − ( l n   x ) 2   (1)  +1dxx4                                               (2)  +1dxx  (3)  +0eaxdx (a>0)                           (4)  +0dx(1+x)(1+x2)  (5)  +0eptsin ωtdt (p>0ω>0)    (6)  +dxx2+2x+2  (7)  10xdx1x2                                         (8)  20dx(1x)2  (9)  21xdxx1                                           (10)  e1dxx1(ln x)2   (1)  1+x4dx                                               (2)  1+x dx  (3)  0+eaxdx (a>0)                           (4)  0+(1+x)(1+x2)dx  (5)  0+eptsin ωtdt (p>0ω>0)    (6)  +x2+2x+2dx  (7)  011x2 xdx                                         (8)  02(1x)2dx  (9)  12x1 xdx                                           (10)  1ex1(ln x)2 dx

    解:

       ( 1 )   ∫ 1 + ∞ d x x 4 = [ − 1 3 x 3 ] 1 + ∞ = 1 3    ( 2 )   ∫ 1 t d x x = [ 2 x ] 1 t = 2 t − 2 ,当 t → + ∞ 时,极限不存在,所以,反常积分是发散的。    ( 3 )   ∫ 0 + ∞ e − a x d x = − 1 a ∫ 0 + ∞ e − a x d ( − a x ) = [ − 1 a e − a x ] 0 + ∞ = 1 a    ( 4 )   ∫ 0 + ∞ d x ( 1 + x ) ( 1 + x 2 ) = 1 2 ∫ 0 + ∞ ( 1 1 + x + 1 − x 1 + x 2 ) d x = [ 1 4 l n ( 1 + x ) 2 1 + x 2 + 1 2 a r c t a n   x ] 0 + ∞ = π 4    ( 5 )   ∫ e − p t s i n   ω t d t = − 1 p ∫ s i n   ω t d ( e − p t ) = − 1 p e − p t s i n   ω t + ω p ∫ e − p t c o s   ω t d t =         − 1 p e − p t s i n   ω t − ω p 2 ∫ c o s   ω t d ( e − p t ) = − 1 p e − p t s i n   ω t − ω p 2 e − p t c o s   ω t − ω 2 p 2 ∫ e − p t s i n   ω t d t ,得,         ∫ e − p t s i n   ω t d t = − p e − p t s i n   ω t − ω e − p t c o s   ω t p 2 + ω 2 + C ,        所以, ∫ 0 + ∞ e − p t s i n   ω t d t = [ − p e − p t s i n   ω t − ω e − p t c o s   ω t p 2 + ω 2 ] 0 + ∞ = ω p 2 + ω 2    ( 6 )   ∫ − ∞ + ∞ d x x 2 + 2 x + 2 = ∫ − ∞ 0 1 ( x + 1 ) 2 + 1 d ( x + 1 ) + ∫ 0 + ∞ 1 ( x + 1 ) 2 + 1 d ( x + 1 ) =          [ a r c t a n ( x + 1 ) ] − ∞ 0 + [ a r c t a n ( x + 1 ) ] 0 + ∞ = π    ( 7 )   ∫ 0 1 x d x 1 − x 2 = [ − 1 − x 2 ] 0 1 = 1    ( 8 )   ∫ 0 t d x ( 1 − x ) 2 = [ 1 1 − x ] 0 t = 1 1 − t − 1 ,当 t → 1 时极限不存在,所以,反常积分发散。    ( 9 )  令 u = x − 1 ,则 x = u 2 + 1 , d x = 2 u d u ,得 ∫ 1 2 x d x x − 1 = 2 ∫ 0 1 ( u 2 + 1 ) d u = 8 3    ( 10 )   ∫ 1 e d x x 1 − ( l n   x ) 2 = ∫ 1 e d ( l n   x ) 1 − ( l n   x ) 2 = [ a r c s i n   l n   x ] 1 e = π 2   (1) +1dxx4=[13x3]+1=13  (2) t1dxx=[2x]t1=2t2t+  (3) +0eaxdx=1a+0eaxd(ax)=[1aeax]+0=1a  (4) +0dx(1+x)(1+x2)=12+0(11+x+1x1+x2)dx=[14ln(1+x)21+x2+12arctan x]+0=π4  (5) eptsin ωtdt=1psin ωtd(ept)=1peptsin ωt+ωpeptcos ωtdt=       1peptsin ωtωp2cos ωtd(ept)=1peptsin ωtωp2eptcos ωtω2p2eptsin ωtdt       eptsin ωtdt=peptsin ωtωeptcos ωtp2+ω2+C       +0eptsin ωtdt=[peptsin ωtωeptcos ωtp2+ω2]+0=ωp2+ω2  (6) +dxx2+2x+2=01(x+1)2+1d(x+1)++01(x+1)2+1d(x+1)=        [arctan(x+1)]0+[arctan(x+1)]+0=π  (7) 10xdx1x2=[1x2]10=1  (8) t0dx(1x)2=[11x]t0=11t1t1  (9) u=x1x=u2+1dx=2udu21xdxx1=210(u2+1)du=83  (10) e1dxx1(ln x)2=e1d(ln x)1(ln x)2=[arcsin ln x]e1=π2   (1) 1+x4dx=[3x31]1+=31  (2) 1tx dx=[2x ]1t=2t 2,当t+时,极限不存在,所以,反常积分是发散的。  (3) 0+eaxdx=a10+eaxd(ax)=[a1eax]0+=a1  (4) 0+(1+x)(1+x2)dx=210+(1+x1+1+x21x)dx=[41ln1+x2(1+x)2+21arctan x]0+=4π  (5) eptsin ωtdt=p1sin ωtd(ept)=p1eptsin ωt+pωeptcos ωtdt=       p1eptsin ωtp2ωcos ωtd(ept)=p1eptsin ωtp2ωeptcos ωtp2ω2eptsin ωtdt,得,       eptsin ωtdt=p2+ω2peptsin ωtωeptcos ωt+C       所以,0+eptsin ωtdt=[p2+ω2peptsin ωtωeptcos ωt]0+=p2+ω2ω  (6) +x2+2x+2dx=0(x+1)2+11d(x+1)+0+(x+1)2+11d(x+1)=        [arctan(x+1)]0+[arctan(x+1)]0+=π  (7) 011x2 xdx=[1x2 ]01=1  (8) 0t(1x)2dx=[1x1]0t=1t11,当t1时极限不存在,所以,反常积分发散。  (9) u=x1 ,则x=u2+1dx=2udu,得12x1 xdx=201(u2+1)du=38  (10) 1ex1(ln x)2 dx=1e1(ln x)2 d(ln x)=[arcsin ln x]1e=2π


    2.  当 k 为何值时,反常积分 ∫ 2 + ∞ d x x ( l n   x ) k 收敛?当 k 为何值时,这反常积分发散?又当 k 为何值时,     这反常积分取得最小值? 2. k+2dxx(ln x)kkk     2. k为何值时,反常积分2+x(ln x)kdx收敛?当k为何值时,这反常积分发散?又当k为何值时,    这反常积分取得最小值?

    解:

       ∫ d x x ( l n   x ) k = ∫ 1 ( l n   x ) k d ( l n   x ) = { l n   l n   x + C ,         k = 1 , − 1 ( k − 1 ) l n k − 1 x + C , k ≠ 1 , ,   当 k ≤ 1 时,反常积分发散;当 k > 1 时,反常积分收敛 .    ∫ 2 + ∞ d x x ( l n   x ) k = [ − 1 ( k − 1 ) l n k − 1 x ] 2 + ∞ = 1 ( k − 1 ) ( l n   2 ) k − 1 ,记 f ( k ) = 1 ( k − 1 ) ( l n   2 ) k − 1 ,    f ′ ( k ) = − 1 ( k − 1 ) 2 ( l n   2 ) 2 k − 2 [ ( l n   2 ) k − 1 + ( k − 1 ) ( l n   2 ) k − 1 l n   l n   2 ] = − 1 + ( k − 1 ) l n   l n   2 ( k − 1 ) 2 ( l n   2 ) k − 1   令 f ′ ( k ) = 0 ,得 k = 1 − 1 l n   l n   2 ,当 1 < k < 1 − 1 l n   l n   2 时, f ′ ( k ) < 0 ,当 k > 1 − 1 l n   l n   2 时, f ′ ( k ) > 0 ,   所以 k = 1 − 1 l n   l n   2 是 f ( k ) 的最小值点   dxx(ln x)k=1(ln x)kd(ln x)={ln ln x+C        k=11(k1)lnk1x+Ck1  k1k>1.  +2dxx(ln x)k=[1(k1)lnk1x]+2=1(k1)(ln 2)k1f(k)=1(k1)(ln 2)k1  f(k)=1(k1)2(ln 2)2k2[(ln 2)k1+(k1)(ln 2)k1ln ln 2]=1+(k1)ln ln 2(k1)2(ln 2)k1  f(k)=0k=11ln ln 21<k<11ln ln 2f(k)<0k>11ln ln 2f(k)>0  k=11ln ln 2f(k)   x(ln x)kdx=(ln x)k1d(ln x)= ln ln x+C        k=1(k1)lnk1x1+Ck=1  k1时,反常积分发散;当k>1时,反常积分收敛.  2+x(ln x)kdx=[(k1)lnk1x1]2+=(k1)(ln 2)k11,记f(k)=(k1)(ln 2)k11  f(k)=(k1)2(ln 2)2k21[(ln 2)k1+(k1)(ln 2)k1ln ln 2]=(k1)2(ln 2)k11+(k1)ln ln 2  f(k)=0,得k=1ln ln 21,当1<k<1ln ln 21时,f(k)<0,当k>1ln ln 21时,f(k)>0  所以k=1ln ln 21f(k)的最小值点


    3.  利用递推公式计算反常积分 I n = ∫ 0 + ∞ x n e − x d x   ( n ∈ N ) . 3. In=+0xnexdx (nN). 3. 利用递推公式计算反常积分In=0+xnexdx (nN).

    解:

      当 n = 0 时, I 0 = ∫ 0 + ∞ e − x d x = − ∫ 0 + ∞ e − x d ( − x ) = [ − e − x ] 0 + ∞ = 1   当 n ≥ 1 时, I n = ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = − ∫ 0 + ∞ x n d ( e − x ) = − [ x n e − x ] 0 + ∞ + n ∫ 0 + ∞ x n − 1 e − x d x = n I n − 1 ,   所以, I n = n !   n=0I0=+0exdx=+0exd(x)=[ex]+0=1  n1In=+0xnexdx=+0xnd(ex)=[xnex]+0+n+0xn1exdx=nIn1  In=n!   n=0时,I0=0+exdx=0+exd(x)=[ex]0+=1  n1时,In=0+xnexdx=0+xnd(ex)=[xnex]0++n0+xn1exdx=nIn1  所以,In=n!


    3.  计算反常积分 ∫ 0 1 l n   x d x . 3. 10ln xdx. 3. 计算反常积分01ln xdx.

    解:

       ∫ l n   x d x = x l n   x − ∫ x ⋅ 1 x d x = x l n   x − x + C ,所以,    ∫ 0 1 l n   x d x = [ x l n   x − x ] 0 1 = − 1 − lim ⁡ x → 0 + ( x l n   x − x ) = − 1   ln xdx=xln xx1xdx=xln xx+C  10ln xdx=[xln xx]10=1limx0+(xln xx)=1   ln xdx=xln xxx1dx=xln xx+C,所以,  01ln xdx=[xln xx]01=1x0+lim(xln xx)=1

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