Gọi \(F\left( x \right)\) là một nguyên hàm của hàm số $f\left( x \right) = \dfrac{{{x^2}\sin x + 2x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}.$ Biết $F\left( 0 \right) = 1,$ Tính giá trị biểu thức $F\left( {\dfrac{\pi }{2}} \right).$
Trả lời bởi giáo viên
Ta có $f\left( x \right) = \dfrac{{{x^2}\sin x + x\cos x + x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}} = x + \dfrac{{x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}$
Khi đó $\int {f\left( x \right){\rm{d}}x} = \int {\left( {x + \dfrac{{x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}} \right){\rm{d}}x} = \int {x{\rm{d}}x} + \int {\dfrac{{x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}{\rm{d}}x.} $
Đặt $t = x\sin x + \cos x \Leftrightarrow {\rm{d}}t = \left( {x\sin x + \cos x} \right){\rm{'d}}x = \left( {\sin x + x\cos x - \sin x} \right)dx = x\cos x\,{\rm{d}}x.$
Suy ra $\int {\dfrac{{x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}{\rm{d}}x} = \int {\dfrac{{{\rm{d}}t}}{t}} = \ln \left| t \right| + C = \ln \left| {x\sin x + \cos x} \right| + C.$
Do đó
$\begin{array}{l}F\left( x \right) = \int {f\left( x \right){\rm{d}}x} = \dfrac{{{x^2}}}{2} + \ln \left| {x\sin x + \cos x} \right| + C.\\ \Rightarrow F\left( 0 \right) = C = 1 \Rightarrow F\left( x \right) = \dfrac{{{x^2}}}{2} + \ln \left| {x\sin x + \cos x} \right| + 1.\\ \Rightarrow F\left( {\dfrac{\pi }{2}} \right) = \dfrac{{{\pi ^2}}}{8} + \ln \dfrac{\pi }{2} + 1.\end{array}$
Hướng dẫn giải:
- Biến đổi hàm số đã cho thành \(f\left( x \right) = x + \dfrac{{x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}\).
- Tính các nguyên hàm \(\int {xdx} \) và \(\int {\dfrac{{x\cos x}}{{x\sin x + \cos x}}dx} \).
- Thay \(x = 0\) tìm \(C\) và suy ra \(F\left( {\dfrac{\pi }{2}} \right)\).
Giải thích thêm:
Khi tính nguyên hàm \(\int {xdx} \), một số em thường tính nhầm \(\int {xdx} = 2{x^2} + C\) dẫn đến chọn nhầm đáp án A là sai.