题目
Problem
In this question you must show all stages of your working.
Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.
Let
In=∫0π/4e4xtannxdx
(a) Use integration to prove that, for n≥1
In+1=nk−n4In−In−1
where k is a constant to be determined.
(b) Determine the exact value of I0
Given that I1=3.7002 to 5 significant figures,
(c) use the answer to part (a) to determine the value of I4 to 3 significant figures.
(4)
(2)
(3)
题目中文翻译
在本题中,你必须写出所有解题步骤。
完全依赖计算器技术求解是不可以的。
设
In=∫0π/4e4xtannxdx
(a) 利用积分证明,当 n≥1 时
In+1=nk−n4In−In−1
其中 k 为待定常数。
(b) 求 I0 的精确值。
已知 I1=3.7002,精确到 5 位有效数字,
(c) 利用 (a) 的答案求 I4,精确到 3 位有效数字。
解答
(a)
解法一
思路
展开
直接对 In 分部积分,取 u=tannx、dv=e4xdx。随后用 sec2x=1+tan2x,剩下的积分正好拆成 In−1 与 In+1,整理后得到目标递推式。
答题过程
展开
Using integration by parts with
u=tannx
and
dv=e4xdx,
we have
du=ntann−1xsec2xdx
and
v=41e4x.
Therefore,
In===[41e4xtannx]0π/4−4n∫0π/4e4xtann−1xsec2xdx4eπ−4n∫0π/4e4xtann−1x×(1+tan2x)dx4eπ−4n(In−1+In+1).
Rearranging,
In+1=neπ−n4In−In−1
for n⩾1. Hence
k=eπ.
解法二
思路
展开
官方评分资料也允许从 In+1 出发。把一个 tan2x 改写成 sec2x−1,便分离出 In−1;余下积分在分部积分时取 dv=tann−1xsec2xdx,可直接产生 In,路线更快地对准目标下标。
答题过程
展开
Using tan2x=sec2x−1,
In+1==∫0π/4e4xtann−1xtan2xdx∫0π/4e4xtann−1xsec2xdx−In−1.
For the first integral, integrate by parts with
u=e4x
and
dv=tann−1xsec2xdx.
Then
du=4e4xdx
and
v=n1tannx.
Hence
In+1==[n1e4xtannx]0π/4−n4∫0π/4e4xtannxdx−In−1neπ−n4In−In−1.
Thus k=eπ.
(b)
解法一
思路
展开
在 I0 中,tan0x=1,所以只需直接积分 e4x 并代入上下限。
答题过程
展开
I0===∫0π/4e4xdx[41e4x]0π/44eπ−1.
(c)
解法一
思路
展开
由 (a) 的递推式,依次令 n=1,2,3,便可从已知的 I0,I1 逐步算到 I4。中间保留足够小数位,最后才按题意取三位有效数字。
答题过程
展开
Using the reduction formula from part (a), with I1=3.7002,
I2===eπ−4I1−I0eπ−4(3.7002)−4eπ−12.804719….
Next,
I3==2eπ−2I2−I12.260707….
Finally,
I4===3eπ−34I3−I21.894568…1.89(3 s.f.).