Застряли на этом? Решите с помощью ИИ
Calculus · real student question

Дана функция F(x) = ∫ dx/(2x + 1), причём F(0) = 0. Найти F((e² − 1)/2).

Question

Пусть

F(x)=∫dx2x+1,F(0)=0F(x)=\int\frac{dx}{2x+1},\qquad F(0)=0

Найти F ⁣(e2−12)F\!\left(\dfrac{e^2-1}{2}\right).

Step-by-step solution

  1. Интегрируем с помощью замены u=2x+1u=2x+1. Под интегралом стоит величина, обратная линейной функции, поэтому линейная замена сразу всё упрощает:

    u=2x+1,du=2 dx,dx=du2u=2x+1,\qquad du=2\,dx,\qquad dx=\frac{du}{2}

    F(x)=∫1u⋅du2=12ln⁡∣u∣+C=12ln⁡∣2x+1∣+CF(x)=\int\frac{1}{u}\cdot\frac{du}{2}=\frac{1}{2}\ln|u|+C=\frac{1}{2}\ln|2x+1|+C

    Множитель 12\tfrac12 компенсирует производную внутренней функции; его потеря — самая частая ошибка в интегралах такого вида.

  2. Определяем константу по начальному условию. Подставим x=0x=0:

    F(0)=12ln⁡∣1∣+C=0+CF(0)=\frac{1}{2}\ln|1|+C=0+C

    а условие F(0)=0F(0)=0 даёт

    C=0⟹F(x)=12ln⁡∣2x+1∣C=0\qquad\Longrightarrow\qquad F(x)=\frac{1}{2}\ln|2x+1|

    Именно начальное условие превращает целое семейство первообразных в одну конкретную функцию.

  3. Упрощаем аргумент до подстановки. При x=e2−12x=\dfrac{e^2-1}{2}

    2x+1=2⋅e2−12+1=(e2−1)+1=e22x+1=2\cdot\frac{e^2-1}{2}+1=(e^2-1)+1=e^2

    Неуклюжее на вид значение подобрано как раз для того, чтобы 2x+12x+1 свернулось в e2e^2, — под логарифмом всегда сначала упрощаем выражение. Заметим, что e2>0e^2>0, поэтому модуль ни на что не влияет.

  4. Вычисляем. Используя ln⁡(e2)=2\ln(e^2)=2:

    F ⁣(e2−12)=12ln⁡(e2)=12⋅2=1F\!\left(\frac{e^2-1}{2}\right)=\frac{1}{2}\ln\left(e^2\right)=\frac{1}{2}\cdot 2=1

    1\boxed{1}

  5. Перекрёстная проверка через определённый интеграл. Так как F(0)=0F(0)=0, тот же ответ даёт

    ∫0(e2−1)/2dx2x+1=[12ln⁡(2x+1)]0(e2−1)/2=12(2−0)=1\int_0^{(e^2-1)/2}\frac{dx}{2x+1}=\left[\frac{1}{2}\ln(2x+1)\right]_0^{(e^2-1)/2}=\frac{1}{2}(2-0)=1

    Численно верхний предел равен ≈3.1945\approx 3.1945, и 12ln⁡(2⋅3.1945+1)=1.0000\tfrac12\ln(2\cdot 3.1945+1)=1.0000, что подтверждает результат.

Answer

11

Need to solve a different problem like this? Open the solver →