跳至主要內容

𝓳𝓭𝔂𝓼𝔂𝓪大约 12 分钟

定积分的精确定义

abf(x)dx=limni=1nf(a+bani)ban \int _{a}^b f(x) \mathrm{d}x=\lim_{ n \to \infty } \sum_{i=1}^nf\left( a+\frac{b-a}{n}i \right)\frac{b-a}{n}

提示

这里的a+bani\displaystyle a+\frac{b-a}{n}i,是取矩形的右端点对应的f值为高,如果取左端高,只需让ii0n10\text{到}n-1

a=0,b=1a=0,b=1时,可得

01f(x)dx=limni=1nf(in)1n \int _{0}^1 f(x) \mathrm{d}x=\lim_{ n \to \infty } \sum_{i=1}^nf\left( \frac{i}{n} \right)\frac{1}{n}

凑定积分定义

一般步骤

  1. 先提出1n\displaystyle \frac{1}{n}
  2. 再凑出in\displaystyle \frac{i}{n}
  3. in\displaystyle \frac{i}{n}可读作0到1 上的 xx1n\displaystyle \frac{1}{n}读作0 到 1 上的dx\mathrm{d}x

例题

limn(n+1n2+1+n+2n2+4+n+3n2+9++n+nn2+n2)=limni=1nn+in2+i21=limni=1nn2+nin2+i21n2limni=1n1+in1+(in)21n3011+x1+x2dx=π4+12ln2. \begin{gathered} \lim_{n\to\infty}\left(\frac{n+1}{n^2+1}+\frac{n+2}{n^2+4}+\frac{n+3}{n^2+9}+\cdots+\frac{n+n}{n^2+n^2}\right)=\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\frac{n+i}{n^2+i^2} \\ \frac{\mathbb{1}}{=}\operatorname*{lim}_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\frac{n^{2}+ni}{n^{2}+i^{2}}\cdot\frac{1}{n}\xrightarrow{\mathbb{2}}\operatorname*{lim}_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n}\frac{1+\frac{i}{n}}{1+\left(\frac{i}{n}\right)^{2}}\cdot\frac{1}{n}\xrightarrow{\mathbb{3}}\int_{0}^{1}\frac{1+x}{1+x^{2}}\mathrm{d}x=\frac{\pi}{4}+\frac{1}{2}{\ln2}. \end{gathered}

序号对应上面的三条步骤

数列n项和极限

先提出1n\displaystyle \frac{1}{n},如果能凑出in\displaystyle \frac{i}{n}就用定积分定义来做,不能就用夹逼定理

存在定理

充分条件:

  1. f(x)f(x)[a,b][a,b]上连续,则abf(x)dx\displaystyle\int _{a}^b f(x) dx存在
  2. f(x)f(x)[a,b][a,b]上单调,则abf(x)dx\displaystyle\int _{a}^b f(x) dx存在
  3. f(x)f(x)[a,b][a,b]有界,且只有有限个间断点,则abf(x)dx\displaystyle\int _{a}^b f(x) dx存在

必要条件:

可积函数必有界,若定积分abf(x)dx\displaystyle\int _{a}^b f(x) dx存在,则f(x)f(x)[a,b][a,b]上必有界

性质

1. 积分的保号性

若在区间[a,b][a,b]f(x)g(x)f(x)\leq g(x),则有

abf(x)dxabg(x)dx \int _{a}^b f(x) dx \leq \int _{a}^bg(x) dx

特殊地,有

abf(x)dxabf(x)dx \left| \int _{a}^b f(x) dx \right| \leq \int _{a}^b\left| f(x) \right| dx

注意

事实上,设f(x)f(x)[a,b][a,b]上非负的连续函数,只要f(x)f(x)不恒等于零,就必有

abf(x)dx>0 \int_{a}^{b}f(x) \, dx>0

同理对于f(x)g(x)f(x)\leq g(x),只要不是恒等于,就必有

abf(x)dx<abg(x)dx \int _{a}^b f(x) dx < \int _{a}^bg(x) dx

2. 中值定理

f(x)f(x)在闭区间[a,b][a,b]上连续,则在(a,b)(a,b)[1]上至少存在一点ξ\xi,使得

abf(x)dx=f(ξ)(ba) \int _{a}^b f(x) dx =f(\xi)(b-a)

推广的积分中值定理

f(x),g(x)f(x),g(x)[a,b][a,b]上连续且g(x)g(x)不变号,则至少存在一点ξ(a,b)\xi\in(a,b)[2],使得

abf(x)g(x)dx=f(ξ)abg(x)dx \int _{a}^b f(x)g(x) dx=f(\xi)\int _{a}^b g(x) dx

证明:image.png

变限积分

变限积分的性质

  1. 函数f(x)f(x)[a,b][a,b]上可积,则函数F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_{a}^{x} f(t)\, dt[a,b][a,b]上连续[3]
  2. 函数f(x)f(x)[a,b][a,b]上连续,则函数F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_{a}^{x} f(t)\, dt[a,b][a,b]上可导

提示

变限积分F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_{a}^{x} f(t)\, dt只要他存在,就必然是连续

变限积分的求导公式

F(x)=φi(x)φi(x)f(t)dt\displaystyle F(x)=\int_{\varphi_i(x)}^{\varphi_i(x)}f(t)\mathrm{d}t,其中f(x)f(x)[a,b][a,b]上连续,可导函数φ1(x)φ2(x)\varphi_{1}\left(x\right)\text{和}\varphi_{2}\left(x\right)的值域在[a,b][a,b]上,则在函数φ1(x)φ2(x)\varphi_{1}\left(x\right)\text{和}\varphi_{2}\left(x\right)的公共定义域上,有

F(x)=ddx[φi(x)φi(z)f(t)dt]=f[φ2(x)]φ2(x)f[φ1(x)]φ1(x) F^{\prime}(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\biggl[\int_{\varphi_{i}(x)}^{\varphi_{i}(z)}f(t)\mathrm{d}t\biggr]=f\bigl[\varphi_{2}(x)\bigr]\varphi_{2}^{\prime}(x)-f\bigl[\varphi_{1}(x)\bigr]\varphi_{1}^{\prime}(x)

注意

我们称上面公式中的xx为"求导变量",tt为"积分变量"."求导变量"xx只出现在积分的上、下限时才能使用变限积分求导公式,若"求导变量"xx出现在被积函数中,必须通过恒等变形(比如变量代换等)将其移出被积函数,才能使用变限积分求导公式,

定积分计算

左端定积分的被积函数含有变限积分,考虑分部积分法.

计算定积分的一些结论

  1. 奇偶性,连续的奇函数一切原函数都是偶函数,连续的偶函数的原函数中仅有一个原函数是奇函数[4]
  2. 周期性
  3. 区间再现公式,f(x)f(x)为连续函数,abf(x)dx=abf(a+bx)dx,\int_{a}^{b}f\left(x\right)\mathrm{d}x=\int_{a}^{b}f\left(a+b-x\right)\mathrm{d}x,

积分等式与不等式

基础 30 讲中的第十讲

一、积分等式

1.用中值定理

中值定理中拓展的中值定理

2.用夹逼准则

例题

(1) 比较 01lnt[ln(1+t)]ndt\int_{0}^{1}|\ln t|[\ln (1+t)]^{n} \mathrm{d} t01tnlntdt(n=1,2,)\int_{0}^{1} t^{n}|\ln t| \mathrm{d} t(n=1,2, \cdots) 的大小, 说明理由.

(2) 记 un=01lnt[ln(1+t)]ndt(n=1,2,)u_{n}=\int_{0}^{1}|\ln t|[\ln (1+t)]^{n} \mathrm{d} t(n=1,2, \cdots), 求 limnun\lim _{n \rightarrow \infty} u_{n}.

解 (1) 当 0t10 \leqslant t \leqslant 1 时, 0ln(1+t)t0 \leqslant \ln (1+t) \leqslant t, 所以

0lnt[ln(1+t)]ntnlnt, 0 \leqslant|\ln t|[\ln (1+t)]^{n} \leqslant t^{n}|\ln t|,

根据积分的保号性, 得

01lnt[ln(1+t)]ndt01tnlntdt. \int_{0}^{1}|\ln t|[\ln (1+t)]^{n} \mathrm{d} t \leqslant \int_{0}^{1} t^{n}|\ln t| \mathrm{d} t .

(2) 由 (1) 知,

0un=01lnt[ln(1+t)]ndt01tnlntdt. 0 \leqslant u_{n}=\int_{0}^{1}|\ln t|[\ln (1+t)]^{n} \mathrm{d} t \leqslant \int_{0}^{1} t^{n}|\ln t| \mathrm{d} t .

又因为

01tnlntdt=01tnlntdt=tn+1n+1lnt01+1n+101tndt=1(n+1)2, \int_{0}^{1} t^{n}|\ln t| \mathrm{d} t=-\int_{0}^{1} t^{n} \ln t \mathrm{d} t=-\left.\frac{t^{n+1}}{n+1} \ln t\right|_{0} ^{1}+\frac{1}{n+1} \int_{0}^{1} t^{n} \mathrm{d} t=\frac{1}{(n+1)^{2}},

所以 limn01tnlntdt=0\lim _{n \rightarrow \infty} \int_{0}^{1} t^{n}|\ln t| \mathrm{d} t=0, 于是由夹逼准则得 limnun=0\lim _{n \rightarrow \infty} u_{n}=0.

3.用积分法

例题

f(x)f(x) 是连续的偶函数, 且是以 TT 为周期的周期函数.

(1) 证明: 0nTxf(x)dx=n2T20Tf(x)dx(n=1,2,3,)\int_{0}^{n T} x f(x) \mathrm{d} x=\frac{n^{2} T}{2} \int_{0}^{T} f(x) \mathrm{d} x(n=1,2,3, \cdots);

(2)利用 (1) 的结论计算 I=0nπxsinxdxI=\int_{0}^{n \pi} x|\sin x| \mathrm{d} x.

解:(1)

0nTxf(x)dxx=nTtnT0nTf(t)dt0nTtf(t)dt,0nTxf(x)dx=nT20nTf(x)dx \begin{align*} \int_{0}^{nT}xf\left(x\right)\mathrm{d}x\xrightarrow{x=nT-t}nT\int_{0}^{nT}f\left(t\right)\mathrm{d}t-\int_{0}^{nT}tf\left(t\right)\mathrm{d}t, \\ \int_{0}^{n T} x f(x) \mathrm{d} x=\frac{n T}{2} \int_{0}^{n T} f(x) \mathrm{d} x \end{align*}

f(x+T)=f(x)f(x+T)=f(x), 则

0nTf(x)dx=n0Tf(x)dx \int_{0}^{n T} f(x) \mathrm{d} x=n \int_{0}^{T} f(x) \mathrm{d} x

0nTxf(x)dx=n2T20Tf(x)dx(n=1,2,3,). \int_{0}^{n T} x f(x) \mathrm{d} x=\frac{n^{2} T}{2} \int_{0}^{T} f(x) \mathrm{d} x(n=1,2,3, \cdots) .

(2) 解 sinx|\sin x| 是连续的以 π\pi 为周期的偶函数, 故

I=0nπxsinxdx=n2π20πsinxdx=n2π20πsinxdx=n2π. I =\int_{0}^{n \pi} x|\sin x| \mathrm{d} x=\frac{n^{2} \pi}{2} \int_{0}^{\pi}|\sin x| \mathrm{d} x =\frac{n^{2} \pi}{2} \int_{0}^{\pi} \sin x \mathrm{d} x=n^{2} \pi .

二、积分不等式

1. 用函数的单调性

提示

通常的做法:首先将某一积分限(通常取上限)变量化,然后移项构造辅助函数,由辅助函数的单调性来证明不等式,此方法多用于所给条件为“f(x)f(x)[a,b][a,b]上连续”的情形

例题

设 f(x)[a,b]上连续,且 f(x)>0,证明:abf(x)dxab1f(x)dx(ba)2\text{设 }f(x)\text{在}[a,b]\text{上连续},\text{且 }f(x)\text{>0},\text{证明}:\int_a^bf\left(x\right)\mathrm{d}x*\int_a^b\frac{1}{f(x)}\mathrm{d}x\geqslant(b-a)^2

F(x)=axf(t)dtax1f(t)dt(xa)2(axb),F(x)=f(x)axdtf(t)+1f(x)axf(t)dt2(xa)=ax[f(x)f(t)+f(t)f(x)2]dtax(22)dt=0.从而,F(x)单调增加.故F(b)F(a)=0,得证. \begin{align*} \text{令}F(x)=\int_{a}^{x}f(t)\mathrm{d}t\cdot\int_{a}^{x}\frac{1}{f(t)}\mathrm{d}t-(x-a)^2(a\leqslant x\leqslant b),\text{则}\\\\ F^{\prime}(x)=f(x)\int_{a}^{x}\frac{\mathrm{d}t}{f(t)}+\frac{1}{f(x)}\int_{a}^{x}f(t)\mathrm{d}t-2(x-a)\\\\=\int_{a}^{x}\biggl[\frac{f(x)}{f(t)}+\frac{f(t)}{f(x)}-2\biggr]\mathrm{d}t\geqslant\int_{a}^{x}(2-2)\mathrm{d}t=0.\\ \text{从而},F(x)\text{单调增加.故}F(b)\geqslant F(a)=0,\text{得证}. \end{align*}

2.用拉格朗日中值定理

提示

此方法多用于所给条件为“f(x)f(x)一阶可导”且某一端点值较简单(甚至为0)的题目.

例题

f(x){f(x)}[0,1]{[0,1]} 上具有一阶连续导数, 且 f(0)=f(1)=0{f(0)=f(1)=0}. 证明:

01f(x)dx14maxx[0,1]{f(x)}. \left|\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x\right| \leqslant \frac{1}{4} \max _{x \in[0,1]}\left\{\left|f{\prime}(x)\right|\right\} .

证明:将大区间 [0,1]{[0,1]} 分成两个小区间 [0,x]{[0, x]}[x,1]{[x, 1]}.
[0,x]{[0, x]} 上对 f(x){f(x)} 使用拉格朗日中值定理, 得 f(x)f(0)=f(x)=f(ξ1)x{f(x)-f(0)=f(x)=f{\prime}\left(\xi_{1}\right) x}, 其中 ξ1(0,x){\xi_{1} \in(0, x)}, 于是

f(x)=f(ξ1)x. |f(x)|=\left|f{\prime}\left(\xi_{1}\right)\right| x .

[x,1]{[x, 1]} 上对 f(x){f(x)} 用拉格朗日中值定理, 得 f(1)f(x)=f(x)=f(ξ2)(1x){f(1)-f(x)=-f(x)=f{\prime}\left(\xi_{2}\right)(1-x)}, 其中ξ2(x,1){\xi_{2} \in(x, 1)}, 于是

f(x)=f(ξ2)(1x). {|f(x)|=\left|f{\prime}\left(\xi_{2}\right)\right|(1-x)}.

x[0,1]{x \in[0,1]} 时, 记 M=max{f(x)}{M=\max \left\{\left|f{\prime}(x)\right|\right\}}, 则

f(x)Mx,f(x)M(1x), |f(x)| \leqslant M x, |f(x)| \leqslant M(1-x),

于是

01f(x)dx=0xf(t)dt+x1f(t)dt \left|\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x\right| =\left|\int_{0}^{x} f(t) \mathrm{d} t+\int_{x}^{1} f(t) \mathrm{d} t\right|

M0xtdt+Mx1(1t)dt=M[x22+(1x)22], \leqslant M \int_{0}^{x} t \mathrm{d} t+M \int_{x}^{1}(1-t) \mathrm{d} t=M\left[\frac{x^{2}}{2}+\frac{(1-x)^{2}}{2}\right],

其中, 根据基本不等式, min{x22+(1x)22}=14{\min \left\{\frac{x^{2}}{2}+\frac{(1-x)^{2}}{2}\right\}=\frac{1}{4}}, 故得证.

3. 用泰勒公式

提示

此方法多用于所给条件为“f(x)f(x)二阶可导”且某一端点值较简单(甚至为 0)的题目

例题

f(x)f(x)[0,2][0,2] 上二阶导数连续, 且 f(1)=0f(1)=0. 当 x[0,2]x \in[0,2] 时, 记 M=max{f(x)}M=\max \left\{\left|f{\prime \prime}(x)\right|\right\}, 证明 02f(x)dx13M\left|\int_{0}^{2} f(x) \mathrm{d} x\right| \leqslant \frac{1}{3} M.

证明: 根据题设, 选取基点 x0=1x_{0}=1 展开成泰勒公式,

f(x)=f(1)+f(1)(x1)+f(ξ)2(x1)2 (其中 ξ 介于 x,1 之间)  f(x)=f(1)+f{\prime}(1)(x-1)+\frac{f{\prime \prime}(\xi)}{2}(x-1)^{2} \text { (其中 } \xi \text { 介于 } x, 1 \text { 之间) }

02f(x)dx=f(1)02(x1)dx+02f(ξ)2(x1)2dx=1202f(ξ)(x1)2dx \Rightarrow \int_{0}^{2} f(x) \mathrm{d} x=f{\prime}(1) \int_{0}^{2}(x-1) \mathrm{d} x+\int_{0}^{2} \frac{f{\prime \prime}(\xi)}{2}(x-1)^{2} \mathrm{d} x=\frac{1}{2} \int_{0}^{2} f{\prime \prime}(\xi)(x-1)^{2} \mathrm{d} x

02f(x)dx1202f(ξ)(x1)2dx12M02(x1)2dx=13M, \Rightarrow \left|\int_{0}^{2} f(x) \mathrm{d} x\right| \leqslant \frac{1}{2} \int_{0}^{2}\left|f{\prime \prime}(\xi)\right|(x-1)^{2} \mathrm{d} x \leqslant \frac{1}{2} M \int_{0}^{2}(x-1)^{2} \mathrm{d} x=\frac{1}{3} M,

故得证.

4. 用积分法

例题

f(x)f(x) 的二阶导数 f(x)f{\prime \prime}(x)[0,1][0,1] 上连续, 且 f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0, 证明:
(1) 01f(x)dx=1201x(x1)f(x)dx\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x=\frac{1}{2} \int_{0}^{1} x(x-1) f{\prime \prime}(x) \mathrm{d} x;
(2) 01f(x)dx112max0<x<1{f(x)}\left|\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x\right| \leqslant \frac{1}{12} \max _{0<x<1}\left\{\left|f{\prime \prime}(x)\right|\right\}.

证明:
(1)

1201x(x1)f(x)dx=1201x(x1)d[f(x)] \frac{1}{2} \int_{0}^{1} x(x-1) f{\prime \prime}(x) \mathrm{d} x =\frac{1}{2} \int_{0}^{1} x(x-1) \mathrm{d}\left[f{\prime}(x)\right]

=12x(x1)f(x)011201f(x)(2x1)dx =\left.\frac{1}{2} x(x-1) f{\prime}(x)\right|_{0} ^{1}-\frac{1}{2} \int_{0}^{1} f{\prime}(x)(2 x-1) \mathrm{d} x

=1201(2x1)d[f(x)] =-\frac{1}{2} \int_{0}^{1}(2 x-1) \mathrm{d}[f(x)]

=12(2x1)f(x)01+01f(x)dx. =-\left.\frac{1}{2}(2 x-1) f(x)\right|_{0} ^{1}+\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x .

由条件 f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0 知结论成立.
(2) 记 M=max0<x<1{f(x)}M=\max _{0<x<1}\left\{\left|f{\prime \prime}(x)\right|\right\}, 则由 (1) 有

1f(x)dxM201x(1x)dx=M2(1213)=M12. \left|\int^{1} f(x) \mathrm{d} x\right| \leqslant \frac{M}{2} \int_{0}^{1} x(1-x) \mathrm{d} x=\frac{M}{2}\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\right)=\frac{M}{12} .

结论

等价积分

0π2f(sinx)dx=0π2f(cosx)dx \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}f(\sin x)\mathrm{d}x=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}f(\cos x)\mathrm{d}x

华里士公式:

0π/2sinnxdx=0π/2cosnxdx={n1nn3n212π2,当 n 为正偶数, I0=π2.n1nn3n223,当 n 为大于1的正奇数, I1=1. \begin{align*} \int_0^{\pi/2} \sin^n x dx &= \int_0^{\pi/2} \cos^n x dx \\ &= \begin{cases} \displaystyle\frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-3}{n-2} \cdot \dots \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2}, & \text{当 } n \text{ 为正偶数, } I_0 = \frac{\pi}{2}. \\ \displaystyle\frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-3}{n-2} \cdot \dots \cdot \frac{2}{3}, & \text{当 } n \text{ 为大于1的正奇数, } I_1 = 1. \end{cases} \end{align*}


02πsinnx={0,n为正奇数20πsinnxdxn为正偶数 \int _{0}^{2\pi}\sin^n x =\begin{cases} 0, &n\text{为正奇数} \\ 2\displaystyle\int _{0}^\pi \sin^n x dx &n\text{为正偶数} \end{cases}

为偶数时

20πsinnxdx=2(0π2sinndx+π2πsinndx)(第二个积分令 x=πt)=2[0π2sinnxdx+π20sinn(πt)(dt)]=2(0π2sinnxdx+0π2sinntdt)=40π2sinnxdx=4n1nn3n212π2 \begin{aligned} 2\int_{0}^{\pi}\sin^{n}x\mathrm{d}x& =2\Big(\int_0^{\frac\pi2}\sin^n\mathrm{d}x+\int_{\frac\pi2}^{\pi}\sin^n\mathrm{d}x\Big)(\text{第二个积分令 }x=\pi-t) \\ &=2\biggl[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n}x\mathrm{d}x+\int_{\frac{\pi}{2}}^{0}\sin^{n}\left(\pi-t\right)\left(-\mathrm{d}t\right)\biggr] \\ &=2\left(\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^nx\mathrm{d}x+\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^nt\mathrm{d}t\right)=4\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^nx\mathrm{d}x \\ &=4\cdot\frac{n-1}n\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdot\cdots\cdot\frac12\cdot\frac\pi2 \end{aligned}

02πsinndx={0,n 为正奇数,4n1nn3n212π2,n 为正偶数. \int_0^{2\pi}\sin^n\mathrm{d}x=\begin{cases}0,&n\text{ 为正奇数,}\\4\cdot\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdot\cdots\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2}\text{,}&n\text{ 为正偶数}.\end{cases}


02πcosnxdx=ππcosnxdx=20πcosnxdx=2(0π2cosnxdx+π2πcosnxdx)(第二个积分令 x=πt)=2[0π2cosnxdx+π20cosn(πt)(dt)]=2[0π2cosnxdx+0π2(cost)ndt]. \begin{aligned} \int_{0}^{2\pi}\cos^{n}x\mathrm{d}x& =\int_{-\pi}^{\pi}\cos^{n}x\mathrm{d}x=2\int_{0}^{\pi}\cos^{n}x\mathrm{d}x \\ &=2\left(\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}x\mathrm{d}x+\int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}\cos^{n}x\mathrm{d}x\right)(\text{第二个积分令 }x=\pi-t) \\ &=2\biggl[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}x\mathrm{d}x+\int_{\frac{\pi}{2}}^{0}\cos^{n}\left(\pi-t\right)\left(-\mathrm{d}t\right)\biggr] \\ &=2\biggl[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}x\mathrm{d}x+\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}(-\cos t)^{n}\mathrm{d}t\biggr]. \end{aligned}

nn为正奇数时,(cost)n=cosnt(-\cos t)^n=-\cos^nt,于是原积分为0
nn为正偶数时,原积分=40π2cosnxdx=4\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}x\mathrm{d}x

综上,有

02πcosnxdx=02πsinnxdx={0,n 为正奇数,4n1nn3n212π2,n 为正偶数. \int_{0}^{2\pi}\cos^nx\mathrm{d}x=\int_{0}^{2\pi}\sin^nx\mathrm{d}x=\begin{cases}0,&n\text{ 为正奇数,}\\\\4\cdot\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdot\cdots\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2},&n\text{ 为正偶数}.\end{cases}


  1. 显然(a,b)[a,b](a,b)\subset[a,b],但是在做题中最好写开区间,因为这样范围更小,更精确,不然有的题目做不了 ↩︎

  2. 建议写成开区间,开区间成立闭区间肯定也成立 ↩︎

  3. 证明在基础30讲113页 ↩︎

  4. 证明在张宇基础30讲例8.3 123页 ↩︎