有學過微積分的讀者,不妨先嘗試求下面這個定積分:
或許很快就會發現,微積分教科書里面提到的幾個積分求解辦法,包括換元法(Substitution),分部積分法(Integration by parts)或者部分分式法(Integration by partial fraction)均不能求得上面定積分。這道題實際上是幾年前印度理工學院入學考試JEE Advanced的題目之一。該考試的難度甚高,能通過考試并獲得錄取的學生只有1%不到!!
回到上面積分。這里引入一個讀者或許沒見過的積分公式:
這個公式很漂亮,首先被積函數里面是由f(x)和其變換后的f(a+b-x)組成的分式。另外,其結果剛好是上限b與下限a之差的一半。利用這個公式來解原來的積分,就變得十分簡單。
首先,令?。
于是?
(不記得三角函數余角恒等式的讀者自己反省一下)。
因此,原定積分可以寫成:
十分簡潔!!
接下來,我們證明這個積分公式的正確性。
首先,使用換元法,令u = a + b - x。可得x = a + b - u, 以及du = -dx, 即-du = dx。
又有當x = a時,u = b;當x = b時,u = a。因此,原定積分可以換成u為變量的定積分:
現在定積分的上下限顛倒了,但是與du前面的負號結合,又可以顛倒回去,于是:
這一步是證明中最難轉過彎來的。首先我們要知道被積函數中的變量成為啞變量(Dummy Variable),它用什么字母根本沒關系,因為到最后,它需要被替換成上下限,求反導數值之差。又因為上面換元后定積分的上下限與原定積分一致,即a為下限,b為上限,且a小于等于b。因此,積分值I(x):
因此,這個換元后定積分實質是原定積分的一個等價形式。于是,2I(x)等于這兩個等價的定積分相加:
因此,得:
證畢!