一元函数积分学综合练习题

本套练习题覆盖一元函数积分学的全部核心内容,共12道综合题,建议在完成各章节学习后集中练习。

练习 1

求不定积分 ∫(3x2−2x+5) dx\int (3x^2 - 2x + 5) \, dx。

参考答案(3 个标签)
不定积分线性性质基本积分公式

解题思路:利用积分的线性性质,将多项式拆成逐项积分。

详细步骤:

  1. ∫(3x2−2x+5)dx=3∫x2dx−2∫xdx+5∫dx\int (3x^2 - 2x + 5) dx = 3\int x^2 dx - 2\int x dx + 5\int dx
  2. =3⋅x33−2⋅x22+5x+C= 3 \cdot \frac{x^3}{3} - 2 \cdot \frac{x^2}{2} + 5x + C
  3. =x3−x2+5x+C= x^3 - x^2 + 5x + C

答案:x3−x2+5x+Cx^3 - x^2 + 5x + C

练习 2

利用第一类换元法(凑微分法)求 ∫2x1+x2 dx\int \frac{2x}{1 + x^2} \, dx。

参考答案(3 个标签)
换元法凑微分对数积分

解题思路:注意到分子 2x2x 恰好是分母 1+x21 + x^2 的导数,可凑微分。

详细步骤:

  1. 设 u=1+x2u = 1 + x^2,则 du=2xdxdu = 2x dx
  2. ∫2x1+x2dx=∫1udu\int \frac{2x}{1 + x^2} dx = \int \frac{1}{u} du
  3. =ln⁡∣u∣+C=ln⁡(1+x2)+C= \ln|u| + C = \ln(1 + x^2) + C

答案:ln⁡(1+x2)+C\ln(1 + x^2) + C(因 1+x2>01 + x^2 > 0,绝对值可省略)

练习 3

用第二类换元法求 ∫4−x2 dx\int \sqrt{4 - x^2} \, dx。

参考答案(3 个标签)
第二类换元三角换元不定积分

解题思路:被积函数含 4−x2\sqrt{4 - x^2},设 x=2sin⁡tx = 2\sin t 消去根式。

详细步骤:

  1. 设 x=2sin⁡tx = 2\sin t,则 dx=2cos⁡t dtdx = 2\cos t\, dt,4−x2=2cos⁡t\sqrt{4 - x^2} = 2\cos t
  2. ∫4−x2dx=∫2cos⁡t⋅2cos⁡t dt=4∫cos⁡2t dt\int \sqrt{4 - x^2} dx = \int 2\cos t \cdot 2\cos t\, dt = 4\int \cos^2 t\, dt
  3. =4∫1+cos⁡2t2dt=2t+sin⁡2t+C= 4\int \frac{1 + \cos 2t}{2} dt = 2t + \sin 2t + C
  4. 回代:t=arcsin⁡x2t = \arcsin\frac{x}{2},sin⁡2t=2sin⁡tcos⁡t=x24−x2\sin 2t = 2\sin t\cos t = \frac{x}{2}\sqrt{4 - x^2}
  5. =2arcsin⁡x2+x24−x2+C= 2\arcsin\frac{x}{2} + \frac{x}{2}\sqrt{4 - x^2} + C

答案:2arcsin⁡x2+x24−x2+C2\arcsin\frac{x}{2} + \frac{x}{2}\sqrt{4 - x^2} + C

练习 4

用分部积分法求 ∫xln⁡x dx\int x \ln x \, dx。

参考答案(3 个标签)
分部积分对数函数不定积分

解题思路:对数的导数简单,设 u=ln⁡xu = \ln x,dv=x dxdv = x\, dx。

详细步骤:

  1. 设 u=ln⁡xu = \ln x,dv=xdxdv = x dx,则 du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx,v=x22v = \frac{x^2}{2}
  2. ∫xln⁡xdx=x22ln⁡x−∫x22⋅1xdx\int x \ln x dx = \frac{x^2}{2}\ln x - \int \frac{x^2}{2} \cdot \frac{1}{x} dx
  3. =x22ln⁡x−12∫xdx=x22ln⁡x−x24+C= \frac{x^2}{2}\ln x - \frac{1}{2}\int x dx = \frac{x^2}{2}\ln x - \frac{x^2}{4} + C

答案:x22ln⁡x−x24+C\frac{x^2}{2}\ln x - \frac{x^2}{4} + C

练习 5

用部分分式分解求 ∫2x+3x2+x−6 dx\int \frac{2x + 3}{x^2 + x - 6} \, dx。

参考答案(3 个标签)
有理函数部分分式待定系数

解题思路:先将分母因式分解,再拆为部分分式。

详细步骤:

  1. x2+x−6=(x−2)(x+3)x^2 + x - 6 = (x - 2)(x + 3)
  2. 设 2x+3(x−2)(x+3)=Ax−2+Bx+3\frac{2x + 3}{(x-2)(x+3)} = \frac{A}{x-2} + \frac{B}{x+3}
  3. 通分比较:2x+3=A(x+3)+B(x−2)=(A+B)x+(3A−2B)2x + 3 = A(x+3) + B(x-2) = (A+B)x + (3A - 2B)
  4. 解得 A+B=2A + B = 2,3A−2B=33A - 2B = 3,所以 A=75A = \frac{7}{5},B=35B = \frac{3}{5}
  5. ∫2x+3x2+x−6dx=75ln⁡∣x−2∣+35ln⁡∣x+3∣+C\int \frac{2x+3}{x^2+x-6} dx = \frac{7}{5}\ln|x-2| + \frac{3}{5}\ln|x+3| + C

答案:75ln⁡∣x−2∣+35ln⁡∣x+3∣+C\frac{7}{5}\ln|x-2| + \frac{3}{5}\ln|x+3| + C

练习 6

利用三角恒等式求 ∫cos⁡2x dx\int \cos^2 x \, dx。

参考答案(3 个标签)
三角恒等式半角公式不定积分

解题思路:用半角公式降幂后积分。

详细步骤:

  1. cos⁡2x=1+cos⁡2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}
  2. ∫cos⁡2xdx=∫1+cos⁡2x2dx\int \cos^2 x dx = \int \frac{1 + \cos 2x}{2} dx
  3. =x2+sin⁡2x4+C= \frac{x}{2} + \frac{\sin 2x}{4} + C

答案:x2+sin⁡2x4+C\frac{x}{2} + \frac{\sin 2x}{4} + C

练习 7

计算定积分 ∫02(x3+1) dx\int_0^2 (x^3 + 1) \, dx。

参考答案(3 个标签)
定积分牛顿-莱布尼茨基本公式

解题思路:先用线性性质拆分,再用牛顿-莱布尼茨公式求值。

详细步骤:

  1. ∫02(x3+1)dx=[x44+x]02\int_0^2 (x^3 + 1) dx = [\frac{x^4}{4} + x]_0^2
  2. =(164+2)−(0+0)=4+2=6= (\frac{16}{4} + 2) - (0 + 0) = 4 + 2 = 6

答案:66

练习 8

利用对称性计算 ∫−11(x5+x3+2) dx\int_{-1}^{1} (x^5 + x^3 + 2) \, dx。

参考答案(3 个标签)
对称性奇偶函数定积分

解题思路:x5x^5 与 x3x^3 都是奇函数,在对称区间上积分为零。

详细步骤:

  1. 奇函数性质:∫−11x5dx=0\int_{-1}^{1} x^5 dx = 0,∫−11x3dx=0\int_{-1}^{1} x^3 dx = 0
  2. ∫−11(x5+x3+2)dx=0+0+∫−112dx=2⋅2=4\int_{-1}^{1} (x^5 + x^3 + 2) dx = 0 + 0 + \int_{-1}^{1} 2 dx = 2 \cdot 2 = 4

答案:44

练习 9

设 F(x)=∫0x2etsin⁡t dtF(x) = \int_0^{x^2} e^{t} \sin t \, dt,求 F′(x)F'(x)。

参考答案(3 个标签)
变限积分链式法则求导

解题思路:上限是 x2x^2,用变限积分求导公式并结合链式法则。

详细步骤:

  1. F′(x)=ex2sin⁡(x2)⋅ddx(x2)F'(x) = e^{x^2} \sin(x^2) \cdot \frac{d}{dx}(x^2)
  2. =ex2sin⁡(x2)⋅2x=2xex2sin⁡(x2)= e^{x^2} \sin(x^2) \cdot 2x = 2x e^{x^2} \sin(x^2)

答案:2xex2sin⁡(x2)2x e^{x^2} \sin(x^2)

练习 10

判断反常积分 ∫1+∞1xp dx\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^p} \, dx 在 p=2p = 2 时的收敛性,并计算其值。

参考答案(3 个标签)
反常积分p积分收敛性

解题思路:第一类反常积分,p>1p > 1 时收敛,用定义计算。

详细步骤:

  1. ∫1+∞1x2dx=lim⁡b→+∞∫1bx−2dx\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^2} dx = \lim_{b \to +\infty} \int_1^b x^{-2} dx
  2. =lim⁡b→+∞[−1x]1b=lim⁡b→+∞(−1b+1)=1= \lim_{b \to +\infty} [-\frac{1}{x}]_1^b = \lim_{b \to +\infty} (-\frac{1}{b} + 1) = 1
  3. 极限存在,故积分收敛

答案:收敛,值为 11

练习 11

求曲线 y=x2y = x^2 与 xx 轴及直线 x=1x = 1 围成的平面图形面积,以及该图形绕 xx 轴旋转一周所得旋转体的体积。

参考答案(3 个标签)
定积分应用平面面积旋转体体积

解题思路:面积用 ∫abf(x)dx\int_a^b f(x) dx,旋转体体积用 V=π∫ab[f(x)]2dxV = \pi\int_a^b [f(x)]^2 dx。

详细步骤:

  1. 面积:S=∫01x2dx=[x33]01=13S = \int_0^1 x^2 dx = [\frac{x^3}{3}]_0^1 = \frac{1}{3}
  2. 体积:V=π∫01(x2)2dx=π∫01x4dx=π[x55]01=π5V = \pi \int_0^1 (x^2)^2 dx = \pi \int_0^1 x^4 dx = \pi [\frac{x^5}{5}]_0^1 = \frac{\pi}{5}

答案:面积 13\frac{1}{3},体积 π5\frac{\pi}{5}

练习 12

一弹簧的弹性系数为 kk,从自然长度 x=0x = 0 拉伸到 x=ax = a 所需做的功为多少?(利用 W=∫F(x)dxW = \int F(x) dx)

参考答案(3 个标签)
积分应用物理应用功

解题思路:弹簧力 F(x)=kxF(x) = kx,功为力对位移的积分。

详细步骤:

  1. W=∫0akx dxW = \int_0^a kx \, dx
  2. =k[x22]0a=ka22= k[\frac{x^2}{2}]_0^a = \frac{ka^2}{2}

答案:ka22\frac{ka^2}{2}