求出以 nn 表示的 ∫12n(tan⁡−12x)21+4x2 dx\displaystyle\int_{\tfrac{1}{2}}^{n} \frac{(\tan^{-1}2x)^2}{1+4x^2}\,dx 的公式,其中 n>0n>0。 由此求出 ∫12∞(tan⁡−12x)21+4x2 dx\displaystyle\int_{\tfrac{1}{2}}^{\infty} \frac{(\tan^{-1}2x)^2}{1+4x^2}\,dx 的精确值。

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完整解法

2

1. Find the indefinite integral using substitution.

Let u=tan⁡−12xu = \tan^{-1}2x. Then dudx=21+4x2\frac{du}{dx} = \frac{2}{1+4x^2}.

∫(tan⁡−12x)21+4x2 dx=12∫(tan⁡−12x)2(21+4x2) dx\displaystyle\int \frac{(\tan^{-1}2x)^2}{1+4x^2}\,dx = \frac{1}{2} \int (\tan^{-1}2x)^2 \left( \frac{2}{1+4x^2} \right) \,dx
=12∫u2 du\displaystyle= \frac{1}{2} \int u^2 \,du
=16u3+C\displaystyle= \frac{1}{6}u^3 + C
=16(tan⁡−12x)3+C\displaystyle= \frac{1}{6}(\tan^{-1}2x)^3 + C

2. Evaluate the definite integral to obtain the formula in terms of $n$.

∫12n(tan⁡−12x)21+4x2 dx=[16(tan⁡−12x)3]12n\displaystyle\int_{\tfrac{1}{2}}^{n} \frac{(\tan^{-1}2x)^2}{1+4x^2}\,dx = \left[ \frac{1}{6}(\tan^{-1}2x)^3 \right]_{\tfrac{1}{2}}^n
=16(tan⁡−12n)3−16(tan⁡−11)3= \frac{1}{6}(\tan^{-1}2n)^3 - \frac{1}{6}(\tan^{-1}1)^3
=16(tan⁡−12n)3−16(π4)3= \frac{1}{6}(\tan^{-1}2n)^3 - \frac{1}{6}\left(\frac{\pi}{4}\right)^3
=16(tan⁡−12n)3−π3384= \frac{1}{6}(\tan^{-1}2n)^3 - \frac{\pi^3}{384}

3. Evaluate the integral to infinity by taking the limit as $n \to \infty$.

As n→∞n \to \infty, tan⁡−12n→π2\tan^{-1}2n \to \frac{\pi}{2}.

∫12∞(tan⁡−12x)21+4x2 dx=lim⁡n→∞(16(tan⁡−12n)3−π3384)\displaystyle\int_{\tfrac{1}{2}}^{\infty} \frac{(\tan^{-1}2x)^2}{1+4x^2}\,dx = \lim_{n \to \infty} \left( \frac{1}{6}(\tan^{-1}2n)^3 - \frac{\pi^3}{384} \right)
=16(π2)3−π3384= \frac{1}{6}\left(\frac{\pi}{2}\right)^3 - \frac{\pi^3}{384}
=π348−π3384= \frac{\pi^3}{48} - \frac{\pi^3}{384}
=8π3−π3384= \frac{8\pi^3 - \pi^3}{384}
=7π3384= \frac{7\pi^3}{384}

答案

Formula: 16(tan⁡−12n)3−π3384\frac{1}{6}(\tan^{-1}2n)^3 - \frac{\pi^3}{384}
Exact value: 7π3384\frac{7\pi^3}{384}

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