题目
Problem
y=artanh(1+x2x)
(a) Show that
dxdy=1+x21
(b) Hence, by integrating the result in part (a), prove that
artanh(1+x2x)=arsinhx
(4)
(2)
题目中文翻译
y=artanh(1+x2x)
(a) 证明
dxdy=1+x21
(b) 由此,积分 (a) 中的结果,证明
artanh(1+x2x)=arsinhx
解答
(a)
解法一
思路
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令 u=x/1+x2,先求 u 的导数,再套用 artanhu 的链式求导公式。将 1−u2 化简后会与 u′ 中的幂次约去,得到目标式。
答题过程
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Let
u=1+x2x=x(1+x2)−1/2.
Then
dxdu==(1+x2)−1/2−x2(1+x2)−3/2(1+x2)3/21.
Also,
1−u2==1−1+x2x21+x21.
Using the chain rule,
dxdy===1−u21dxdu(1+x2)(1+x2)3/211+x21,
as required.
解法二
思路
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官方评分资料另给出隐式路线:先对原式两边取 tanh,再求导。利用 sech2y=1−tanh2y,可把左边也完全改写成 x,从而解出导数。
答题过程
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Taking tanh of both sides gives
tanhy=1+x2x.
Differentiating implicitly,
sech2ydxdy=(1+x2)3/21.
Since
sech2y===1−tanh2y1−1+x2x21+x21,
it follows that
1+x21dxdy=dxdy=(1+x2)3/21,1+x21.
(b)
解法一
思路
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“Hence” 要直接积分 (a) 的结果。因为 1/1+x2 的一个原函数是 arsinhx,两边只可能相差常数;代入 x=0 即可证明该常数为零。
答题过程
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From part (a),
dxdy=1+x21.
Integrating with respect to x,
y=arsinhx+C.
Since
y=artanh(1+x2x),
we have
artanh(1+x2x)=arsinhx+C.
For every real x,
∣x∣<1+x2,
so the argument of artanh lies in (−1,1) and both sides are defined. When x=0,
0=0+C,
so C=0. Therefore, for all real x,
artanh(1+x2x)=arsinhx.