题目
Problem
In=∫cosnxdxn≥0
(a) Prove that, for n≥2,
In=n1cosn−1xsinx+nn−1In−2
(b) Show that for positive even integers n
∫0π/2cosnxdx=nn−1⋅n−2n−3⋯65⋅43⋅21⋅2π
(c) Hence determine the exact value of
∫0π/2cos6xsin2xdx
(11)
题目中文翻译
In=∫cosnxdxn≥0
(a) 证明当 n≥2 时
In=n1cosn−1xsinx+nn−1In−2
(b) 证明当 n 为正偶数时
∫0π/2cosnxdx=nn−1⋅n−2n−3⋯65⋅43⋅21⋅2π
(c) 因此求
∫0π/2cos6xsin2xdx
的精确值。
解答
(a)
解法一:拆出一个 cosx
思路
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把 cosnx 写成 cosn−1xcosx,再进行分部积分。所得积分含有 sin2x,用 sin2x=1−cos2x 将其化成 In−2−In,最后整理出指定递推式。
答题过程
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Write
In=∫cosn−1xcosxdx.
Integrating by parts with
u=cosn−1x,dv=cosxdx,
gives
du=−(n−1)cosn−2xsinxdx,v=sinx.
Therefore,
In===cosn−1xsinx+(n−1)∫cosn−2xsin2xdxcosn−1xsinx+(n−1)∫cosn−2x(1−cos2x)dxcosn−1xsinx+(n−1)(In−2−In).
Hence
nIn=cosn−1xsinx+(n−1)In−2,
and so
In=n1cosn−1xsinx+nn−1In−2.
解法二:先使用 cos2x=1−sin2x
思路
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先拆出 cos2x 并使用平方恒等式,把 In 写成 In−2 减去另一个积分。对后一个积分分部积分,会产生含 In 的项,移项后同样得到目标递推式。
答题过程
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Using cos2x=1−sin2x,
In==∫cosn−2xcos2xdxIn−2−∫sin2xcosn−2xdx.
Let
J=∫sin2xcosn−2xdx.
For J, integrate by parts with
u=sinx,dv=sinxcosn−2xdx.
Then
du=cosxdx,v=−n−1cosn−1x.
Thus
J==−n−1sinxcosn−1x+n−11∫cosnxdx−n−1sinxcosn−1x+n−11In.
Substituting this into In=In−2−J,
In=In−2+n−1sinxcosn−1x−n−11In.
Rearranging gives
In=n1cosn−1xsinx+nn−1In−2.
(b)
解法一
思路
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把定积分另记为 Jn,将 (a) 的递推式代入上下限。边界项在 0 与 2π 都为零,因此每次只留下系数 nn−1;反复递推到 J0,再直接积分求出 J0=2π。
答题过程
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Define
Jn=∫0π/2cosnxdx.
For even n≥2, applying the reduction formula from part (a) gives
Jn=n1[cosn−1xsinx]0π/2+nn−1Jn−2.
At x=2π, cosn−1x=0, while at x=0, sinx=0. Hence
Jn=nn−1Jn−2.
Applying this repeatedly,
Jn===nn−1Jn−2nn−1⋅n−2n−3Jn−4nn−1⋅n−2n−3⋯65⋅43⋅21J0.
Finally,
J0=∫0π/21dx=2π.
Therefore,
∫0π/2cosnxdx=nn−1⋅n−2n−3⋯65⋅43⋅21⋅2π.
(c)
解法一
思路
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必须承接 (b)。用 sin2x=1−cos2x 把原积分写成 J6−J8,再分别使用 (b) 的乘积公式求出两个定积分并相减。
答题过程
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Using sin2x=1−cos2x and the result from part (b),
∫0π/2cos6xsin2xdx====J6−J865⋅43⋅21⋅2π−87⋅65⋅43⋅21⋅2π325π−25635π2565π.