2015 年研究生入学考试数学一填空题第 2 题解析

题目

\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}(\frac{\sin x}{1+\cos x}+|x|)dx=__.

解析

本题存在(关于原点对称的)对称区间 “[-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}]“, 在求积分的时候,如果看到这样的对称区间,则要考虑被积函数是不是奇函数或者偶函数。如果是奇函数,则其在对称区间上的积分为 0, 如果是偶函数,则我们可以只计算其大于 0 或者小于 0 方向上的积分,之后再乘以 2 即可获得整个积分区间上的积分数值。

由于:

\frac{\sin (-x)}{1+\cos(-x)}=\frac{-\sin x}{1+\cos x} \Rightarrow f(-x)=-f(x).

因此,f(x)=\frac{\sin x}{1+\cos x} 是一个奇函数,因此,其在对称区间 [-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}] 上的积分为 0.

又由于:

|-x|=|x| \Rightarrow g(-x)=g(x).

因此,g(x)=|x| 是一个偶函数。

于是:

原式 = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}|x|dx = 2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}xdx=2 \cdot \frac{1}{2}x^{2}|_{0}^{\frac{\pi}{2}}=\frac{\pi^{2}}{4}.

当然,本题除了可以使用积分的原理计算之外,还可以画图计算面积,如图 1:

Figure 1. y=|x| 的函数图像

根据上图,我们有:

\frac{\pi}{2} \cdot \frac{\pi}{2} \cdot \frac{1}{2} \cdot 2=\frac{\pi^{2}}{4}.

综上可知,本题的正确答案是:\frac{\pi^{2}}{4}.

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