题目
Problem
In=∫0kxn(k−x)1/2dxn≥0
where k is a positive constant.
(a) Show that
In=3+2n2knIn−1n≥1
Given that
∫0kx2(k−x)1/2dx=28093
(b) use the result in part (a) to determine the exact value of k.
(9)
题目中文翻译
设
In=∫0kxn(k−x)1/2dxn≥0
其中 k 为正实数。
(a) 证明
In=3+2n2knIn−1n≥1
已知
∫0kx2(k−x)1/2dx=28093
(b) 利用 (a) 的结果求 k 的精确值。
解答
(a)
解法一:直接分部积分
思路
展开
令 u=xn,把 (k−x)1/2 作为被积部分作分部积分。边界项在 n⩾1 时为零;再把 (k−x)3/2 拆成 (k−x)(k−x)1/2,便能将剩余积分写成 In−1 与 In。
答题过程
展开
For n⩾1, integrate by parts with
u=xn,dxdv=(k−x)1/2.
Then
dxdu=nxn−1,v=−32(k−x)3/2.
Hence
In=[−32xn(k−x)3/2]0k+32n∫0kxn−1(k−x)3/2dx.
The boundary term is zero: at x=k, (k−x)3/2=0, while at x=0,
xn=0 because n⩾1. Therefore,
In===32n∫0kxn−1(k−x)(k−x)1/2dx32n[k∫0kxn−1(k−x)1/2dx−∫0kxn(k−x)1/2dx]32n(kIn−1−In).
It follows that
(1+32n)In=(3+2n)In=32knIn−1,2knIn−1.
Thus
In=3+2n2knIn−1(n⩾1).
解法二:先拆开因子再分部积分
思路
展开
先把 (k−x)1/2 写成 (k−x)(k−x)−1/2,从而将 In 拆成两个积分。分别对这两个积分作分部积分后,边界项都为零,剩余部分直接变成 In−1 与 In。
答题过程
展开
First,
In==∫0kxn(k−x)(k−x)−1/2dxk∫0kxn(k−x)−1/2dx−∫0kxn+1(k−x)−1/2dx.
For the first integral, integration by parts gives
k∫0kxn(k−x)−1/2dx==[−2kxn(k−x)1/2]0k+2kn∫0kxn−1(k−x)1/2dx2knIn−1.
Similarly,
∫0kxn+1(k−x)−1/2dx==[−2xn+1(k−x)1/2]0k+2(n+1)∫0kxn(k−x)1/2dx2(n+1)In.
Thus
In=(3+2n)In=2knIn−1−2(n+1)In,2knIn−1.
Therefore,
In=3+2n2knIn−1(n⩾1).
(b)
解法一
思路
展开
必须使用 (a) 的递推式:先依次把 I2 化为 I1、再化为 I0,然后直接计算 I0。与题给 I2 比较后得到关于正数 k 的方程,并识别出同为 7/2 次幂的形式。
答题过程
展开
Using the reduction formula from part (a),
I2=74kI1,I1=52kI0.
Also,
I0===∫0k(k−x)1/2dx[−32(k−x)3/2]0k32k3/2.
Therefore,
I2==74k⋅52k⋅32k3/210516k7/2.
Using the given value of I2,
10516k7/2=k7/2==28093,128273(43)7/2.
Since k is positive,
k=43.