证明 ddxln⁡(excos⁡x)=1−tan⁡x\frac{d}{dx} \ln(e^x \cos x) = 1 - \tan x。 利用第 (i) 部分,求 ∫tan⁡x dx\int \tan x \, dx。 由此证明 ∫0π3tan⁡x dx=ln⁡2\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \tan x \, dx = \ln 2。

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完整解法

7(i)

1. Simplify the expression using laws of logarithms.

ln⁡(excos⁡x)=ln⁡(ex)+ln⁡(cos⁡x)\ln(e^x \cos x) = \ln(e^x) + \ln(\cos x)
=x+ln⁡(cos⁡x)= x + \ln(\cos x)

2. Differentiate the simplified expression with respect to $x$.

ddx[x+ln⁡(cos⁡x)]=1+1cos⁡x⋅(−sin⁡x)\frac{d}{dx} [x + \ln(\cos x)] = 1 + \frac{1}{\cos x} \cdot (-\sin x)

3. Simplify the derivative to obtain the required result.

=1−sin⁡xcos⁡x= 1 - \frac{\sin x}{\cos x}
=1−tan⁡x= 1 - \tan x

答案

ddxln⁡(excos⁡x)=1−tan⁡x\frac{d}{dx} \ln(e^x \cos x) = 1 - \tan x (Shown)

7(ii)

1. Use the result from part (i) to set up an integral equation

Since ddxln⁡(excos⁡x)=1−tan⁡x\frac{d}{dx} \ln(e^x \cos x) = 1 - \tan x, integrating both sides gives:
∫(1−tan⁡x) dx=ln⁡(excos⁡x)+C\int (1 - \tan x) \, dx = \ln(e^x \cos x) + C

2. Rearrange to find the integral of $\tan x$

∫1 dx−∫tan⁡x dx=ln⁡(excos⁡x)+C\int 1 \, dx - \int \tan x \, dx = \ln(e^x \cos x) + C
x−∫tan⁡x dx=ln⁡(excos⁡x)+Cx - \int \tan x \, dx = \ln(e^x \cos x) + C
∫tan⁡x dx=x−ln⁡(excos⁡x)+C′\int \tan x \, dx = x - \ln(e^x \cos x) + C'

(Optional simplification)
Since ln⁡(excos⁡x)=ln⁡(ex)+ln⁡(cos⁡x)=x+ln⁡(cos⁡x)\ln(e^x \cos x) = \ln(e^x) + \ln(\cos x) = x + \ln(\cos x),
∫tan⁡x dx=x−(x+ln⁡(cos⁡x))+C′=−ln⁡(cos⁡x)+C′\int \tan x \, dx = x - (x + \ln(\cos x)) + C' = -\ln(\cos x) + C'

答案

x−ln⁡(excos⁡x)+Cx - \ln(e^x \cos x) + C or −ln⁡(cos⁡x)+C-\ln(\cos x) + C

7(iii)

1. State the definite integral using the antiderivative found in part (ii)

From (ii), ∫tan⁡x dx=x−ln⁡(excos⁡x)\int \tan x \, dx = x - \ln(e^x \cos x).

∫0π3tan⁡x dx=[x−ln⁡(excos⁡x)]0π3\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \tan x \, dx = \left[ x - \ln(e^x \cos x) \right]_{0}^{\frac{\pi}{3}}

2. Substitute the limits and simplify the expression

=(π3−ln⁡(eπ3cos⁡π3))−(0−ln⁡(e0cos⁡0))= \left( \frac{\pi}{3} - \ln\left(e^{\frac{\pi}{3}} \cos \frac{\pi}{3}\right) \right) - \left( 0 - \ln(e^0 \cos 0) \right)

=π3−ln⁡(eπ3⋅12)−(−ln⁡(1⋅1))= \frac{\pi}{3} - \ln\left(e^{\frac{\pi}{3}} \cdot \frac{1}{2}\right) - \left( - \ln(1 \cdot 1) \right)

3. Apply logarithm laws to show the final result

=π3−(ln⁡eπ3+ln⁡12)+0= \frac{\pi}{3} - \left( \ln e^{\frac{\pi}{3}} + \ln \frac{1}{2} \right) + 0

=π3−π3−ln⁡(2−1)= \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{3} - \ln(2^{-1})

=−(−ln⁡2)=ln⁡2= -(-\ln 2) = \ln 2 (Shown)

答案

ln⁡2\ln 2 (Shown)

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