一個教科書沒提到的積分求解辦法

有學過微積分的讀者,不妨先嘗試求下面這個定積分:

\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sqrt{\sin x } }{\sqrt{\sin x }+\sqrt{\cos x}} dx

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:

\int_{a}^{b} \frac{f(x)}{f(a+b-x)+f(x)}dx =\frac{b-a }{2}

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f(x) = \sqrt{\sin x } , a=0, b=\frac{\pi}{2}?。

于是f(a+b-x)=\sqrt{\sin (0 + \frac{\pi}{2} - x)} = \sqrt{\sin ( \frac{\pi}{2} - x)} =\sqrt{\cos x } ?

(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:

\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\sqrt{\sin x } }{\sqrt{\sin x }+\sqrt{\cos x }  }  dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{f(x)}{f(x) + f(0+ \frac{\pi}{2}-x)} dx

=\frac{\frac{\pi}{2}-0}{2} = \frac{\pi}{4}

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:

\int_{b}^{a} \frac{f(a+b - u)}{f(a + b - u) + f(u)} \cdot -du

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:

\int_{a}^{b} \frac{f(a+b - u)}{f(a + b - u) + f(u)} du

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):

I(x) = \int_{a}^{b} \frac{f(a+b - u)}{f(a + b - u) + f(u)} du  =\int_{a}^{b} \frac{f(a+b - x)}{f(a + b - x) + f(x)} dx

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:

2I(x) = \int_{a}^{b} \frac{f(x)}{f(x) + f(a+b-x)} dx  +\int_{a}^{b} \frac{f(a+b - x)}{f(a + b - x) + f(x)} dx

=\int_{a}^{b} \frac{f(x) + f(a+b-x)}{f(x) + f(a+b-x)} dx =\int_{a}^{b} dx =b - a

因此,得:

I(x) = \frac{b-a}{2}

證畢!

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