题目
Problem
Let
In=∫xncosxdx.
(a) Show that, for n≥2,
In=xnsinx+nxn−1cosx−n(n−1)In−2.
(b) Hence find the functions f(x) and g(x) such that
∫x4cosxdx=f(x)sinx+g(x)cosx+c,
where c is an arbitrary constant.
(9)
题目中文翻译
设
In=∫xncosxdx
(a) 证明当 n≥2 时
In=xnsinx+nxn−1cosx−n(n−1)In−2
(b) 因此求函数 f(x) 和 g(x),使得
∫x4cosxdx=f(x)sinx+g(x)cosx+c
其中 c 为任意常数。
解答
(a)
解法一
思路
展开
对 In 连续做两次分部积分。第一次把幂函数留作求导,使积分从 cosx 变为 sinx;第二次再把 sinx 积回 cosx,余下积分便正好是 In−2。
答题过程
展开
Integrating by parts,
In==∫xncosxdxxnsinx−n∫xn−1sinxdx.
For the remaining integral, a second integration by parts gives
∫xn−1sinxdx==−xn−1cosx+(n−1)∫xn−2cosxdx−xn−1cosx+(n−1)In−2.
Substituting,
In==xnsinx−n(−xn−1cosx+(n−1)In−2)xnsinx+nxn−1cosx−n(n−1)In−2.
解法二
思路
展开
官方替代推导把被积式写成 xn−1(xcosx)。先求出 ∫xcosxdx=xsinx+cosx,再分部积分;随后仅对其中一个剩余积分再做一次分部积分,也可得到同一递推式。
答题过程
展开
First,
∫xcosxdx=xsinx+cosx.
Now write
In=∫xn−1(xcosx)dx.
Integrating by parts,
In==xn−1(xsinx+cosx)−(n−1)∫xn−2(xsinx+cosx)dxxnsinx+xn−1cosx−(n−1)∫xn−1sinxdx−(n−1)In−2.
Also,
∫xn−1sinxdx=−xn−1cosx+(n−1)In−2.
Therefore
In==xnsinx+xn−1cosx+(n−1)xn−1cosx−(n−1)2In−2−(n−1)In−2xnsinx+nxn−1cosx−n(n−1)In−2.
(b)
解法一
思路
展开
承接 (a) 的递推式,先把 I4 降到 I2,再降到 I0=sinx。最后分别收集 sinx 与 cosx 的系数,即得到 f(x)、g(x)。
答题过程
展开
Using the reduction formula with n=4,
I4=x4sinx+4x3cosx−12I2.
With n=2,
I2=x2sinx+2xcosx−2I0.
Since
I0=∫cosxdx=sinx,
we obtain
I4==x4sinx+4x3cosx−12(x2sinx+2xcosx−2sinx)(x4−12x2+24)sinx+(4x3−24x)cosx+c.
Therefore
f(x)=x4−12x2+24
and
g(x)=4x3−24x.