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关于「在这个片段中,如何从余弦幂级数计算 $\int_0^{\pi/2} \cos x\,dx$?」

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掌握方法

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计算方法是:将 cos⁡x\cos x 的麦克劳林级数代入积分,使用控制收敛定理交换求和与积分,使用幂法则对每个单项式项进行积分,简化阶乘分母,将得到的级数识别为正弦级数,并在端点 00 和 π/2\pi/2 处求值。

适用条件:积分区间是 [0,π/2][0,\pi/2]。;余弦幂级数是 cos⁡x=∑n=0∞(−1)n(2n)!x2n\cos x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n}。;控制收敛定理适用,因为级数项在 [0,π/2][0,\pi/2] 上被 g(x)=1g(x)=1 控制。

认识概念

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积分的最终值是 11。这是通过在区间端点处评估被识别出的正弦级数得到的:sin⁡(π/2)−sin⁡(0)=1−0=1\sin(\pi/2) - \sin(0) = 1 - 0 = 1。

适用条件:积分区间是 [0,π/2][0,\pi/2]。;积分后的级数已被正确识别为 sin⁡x\sin x 的麦克劳林级数。;应用微积分基本定理来评估定积分。

判断用途

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(2n+1)!(2n+1)! 分母来自于将余弦级数系数中原有的阶乘 (2n)!(2n)! 与积分幂法则引入的新因子 2n+12n+1 相结合。在代数上,(2n)!×(2n+1)=(2n+1)!(2n)! \times (2n+1) = (2n+1)!。

适用条件:积分是对项 x2nx^{2n} 进行的。;原始系数的分母包含 (2n)!(2n)!。;应用了幂法则,将指数提升到 2n+12n+1 并除以 2n+12n+1。

理解原因

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可以交换求和与积分,因为控制收敛定理适用。余弦幂级数的各项在区间 [0,π/2][0,\pi/2] 上的绝对值被 11 限制,使得常数函数 g(x)=1g(x)=1 成为一个有效的控制函数,且其在该区间上的积分有限。

适用条件:积分区间是 [0,π/2][0,\pi/2]。;级数项是 (−1)n(2n)!x2n\frac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}。;控制函数是 g(x)=1g(x)=1。

理解原因

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包含这个例子是为了说明,如果控制函数的积分发散,那么仅有控制假设是不够的。它作为一个警告,表明如果不满足有限积分条件,期望的积分与求和的交换可能会失败。

适用条件:该例子作为 [0,∞)[0,\infty) 区间上的警告性说明呈现。;函数 e2xe^{2x} 控制 exe^x,但 ∫0∞e2x dx\int_0^{\infty} e^{2x}\,dx 发散。