题目
Problem
Let
In=∫x2+3xndx,n∈N.
(a) Show that
In=nxn−1x2+3−n3(n−1)In−2,n≥3.
(b) Hence show that
∫x2+3x5dx=51x2+3(x4+px2+q)+k,
where p and q are integers to be determined and k is an arbitrary constant.
(10)
题目中文翻译
设
In=∫x2+3xndx,n∈N.
(a) 证明
In=nxn−1x2+3−n3(n−1)In−2,n≥3.
(b) 因此证明
∫x2+3x5dx=51x2+3(x4+px2+q)+k,
其中 p 和 q 为待定整数,k 为任意常数。
解答
(a)
解法一
思路
展开
把 xn 写成 xn−1⋅x,再分部积分。这样 x/x2+3 可以直接积分,而余下积分中的 x2+3 可改写为 (x2+3)/x2+3,从而同时出现 In 和 In−2。
答题过程
展开
Write
In=∫xn−1x2+3xdx.
Integrating by parts with
u=xn−1,dv=x2+3xdx,
gives
du=(n−1)xn−2dx,v=x2+3.
Therefore
In=xn−1x2+3−(n−1)∫xn−2x2+3dx.
Now
==∫xn−2x2+3dx∫x2+3xn−2(x2+3)dxIn+3In−2.
Hence
In=xn−1x2+3−(n−1)In−3(n−1)In−2.
Thus
nIn=xn−1x2+3−3(n−1)In−2,
and so
In=nxn−1x2+3−n3(n−1)In−2,n≥3.
解法二
思路
展开
另一条官方路线先写 xn=xn−2(x2+3−3),将 In 拆成一个含 x2+3 的积分和 In−2。再对前者反向选择分部积分,最终同样整理出递推式。
答题过程
展开
Since x2=(x2+3)−3,
In==∫x2+3xn−2x2dx∫xn−2x2+3dx−3In−2.
Let
J=∫xn−2x2+3dx.
Integrating by parts with
u=x2+3,dv=xn−2dx,
gives
J==n−1xn−1x2+3−n−11∫x2+3xndxn−1xn−1x2+3−n−11In.
Substituting this into In=J−3In−2,
In=n−1xn−1x2+3−n−11In−3In−2.
Multiplying by n−1 and rearranging gives
In=nxn−1x2+3−n3(n−1)In−2.
(b)
解法一
思路
展开
依次在递推公式中取 n=5 和 n=3,把 I5 降到 I3,再降到容易直接积分的 I1。这直接体现题目中 Hence 的承接关系。
答题过程
展开
Using the reduction formula with n=5,
I5=5x4x2+3−512I3.
With n=3,
I3=3x2x2+3−2I1.
Also,
I1=∫x2+3xdx=x2+3.
Hence
I3==3x2x2+3−2x2+331(x2−6)x2+3.
Substituting into the expression for I5,
I5==5x4x2+3−54(x2−6)x2+351x2+3(x4−4x2+24)+k.
Therefore
p=−4,q=24.
解法二
思路
展开
官方也允许只先用一次递推公式,把 I5 化到 I3,再以 u=x2+3 直接求 I3。这仍然使用了 (a),所以符合 Hence 的要求。
答题过程
展开
From the reduction formula,
I5=5x4x2+3−512I3.
To evaluate I3, let u=x2+3. Then du=2xdx and x2=u−3, so
I3=====∫x2+3x3dx21∫(u−3)u−1/2du21∫(u1/2−3u−1/2)du31u3/2−3u1/231(x2−6)x2+3.
Therefore
I5==5x4x2+3−54(x2−6)x2+351x2+3(x4−4x2+24)+k.
Thus
p=−4,q=24.