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

Вычислить определённый интеграл от x = −2 до x = 2 функции (x³·cos(x/2) + 1/2), умноженной на квадратный корень из (4 − x²).

Question

Вычислить

∫−22(x3cos⁡x2+12)4−x2 dx.\int_{-2}^{2}\left(x^{3}\cos\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\right)\sqrt{4-x^{2}}\,dx.

Step-by-step solution

  1. Разбиваем интеграл, не пытаясь искать первообразную. У множителя x3cos⁡x24−x2x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}} первообразная не выражается через элементарные функции, поэтому любая замена переменной или интегрирование по частям обречены. Зато отрезок симметричен относительно 00, так что разобьём интеграл:

    ∫−22x3cos⁡x24−x2 dx+12∫−224−x2 dx.\int_{-2}^{2}x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx+\frac{1}{2}\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx.

  2. Определяем чётность первого слагаемого. Функция x3x^{3} нечётная; cos⁡x2\cos\frac{x}{2} чётная; 4−x2\sqrt{4-x^{2}} чётная. Нечётная ×\times чётная ×\times чётная — нечётная, поэтому вся подынтегральная функция удовлетворяет условию f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x). На симметричном отрезке интеграл любой нечётной функции равен нулю: площадь со знаком на [−2,0][-2,0] в точности уничтожает площадь на [0,2][0,2]:

    ∫−22x3cos⁡x24−x2 dx=0.\int_{-2}^{2}x^{3}\cos\frac{x}{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx=0.

    В этом и весь смысл задачи — страшное на вид слагаемое лишь отвлекает внимание.

  3. Узнаём во втором слагаемом полукруг. Кривая y=4−x2y=\sqrt{4-x^{2}} равносильна x2+y2=4x^{2}+y^{2}=4 при y≥0y\ge 0, то есть это верхняя половина окружности радиуса 22. Значит, интеграл — это геометрическая площадь, и первообразную искать не нужно:

    ∫−224−x2 dx=12πr2=12π(2)2=2π.\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx=\frac{1}{2}\pi r^{2}=\frac{1}{2}\pi(2)^{2}=2\pi.

  4. Собираем всё вместе. Умножаем площадь полукруга на постоянный множитель 12\tfrac12 и прибавляем обратившееся в нуль нечётное слагаемое:

    ∫−22(x3cos⁡x2+12)4−x2 dx=0+12(2π)=π.\int_{-2}^{2}\left(x^{3}\cos\frac{x}{2}+\frac{1}{2}\right)\sqrt{4-x^{2}}\,dx=0+\frac{1}{2}(2\pi)=\pi.

  5. Проверяем численно. Составная формула Симпсона на [−2,2][-2,2] даёт 3.14159263.1415926 для полной подынтегральной функции и 2×10−162\times10^{-16} для одного нечётного слагаемого, что подтверждает и точное значение π≈3.14159\pi\approx 3.14159, и рассуждение о взаимном уничтожении.

Answer

π≈3.14159\pi\approx 3.14159

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