• Dạng 5. Tính tích phân bằng phương pháp đổi biến số
  • Ví dụ 3.10. (Câu 25, Đề minh hoạ môn Toán kì thi THPT Quốc gia năm 2017 của Bộ GD&ĐT)

    Tính tích phân \[I=\int\limits_{0}^{\pi }{{{\cos }^{3}}x\sin xdx.}\]

    A. \[I=-\frac{1}{4}{{\pi }^{4}}.\]

    B. \[I=-{{\pi }^{4}}.\]

    C. I = 0.

    D. \[I=-\frac{1}{4}.\]

    Hướng dẫn giải

  • Cách 1. Đặt u = cosx, du = - sinxdx. Đổi cận $\left\{\begin{matrix} x=0\Rightarrow u=1 & \\ x=\Pi \Rightarrow u=-1 & \end{matrix}\right.$
  • Do đó \[I=-\int\limits_{0}^{\pi }{{{\cos }^{3}}x(-\sin x)dx=-\int\limits_{1}^{-1}{{{u}^{3}}du=\int\limits_{-1}^{1}{{{u}^{3}}du}}}=\left. \frac{{{u}^{4}}}{4} \right|_{-1}^{1}=0.\]

    Vậy ta chọn C.

  • Cách 2. Ta viết
  • \[I=\int\limits_{0}^{\pi }{{{\cos }^{3}}x\sin xdx=\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{2}}{{{\cos }^{3}}x\sin xdx+\int\limits_{\frac{\pi }{2}}^{\pi }{{{\cos }^{3}}x\sin xdx={{I}_{1}}+{{I}_{2}}}}}.\]

    Xét \[{{I}_{2}}=\int\limits_{\frac{\pi }{2}}^{\pi }{{{\cos }^{3}}x\sin xdx.}\]

    Đặt \[x=\frac{\pi }{2}+t,dx=dt,\]$\left\{\begin{matrix} x=\frac{\Pi }{2}\Rightarrow t=0 & \\ x=\Pi \Rightarrow t=\frac{\Pi }{2} & \end{matrix}\right.$ ta suy ra:

    \[{{I}_{2}}=\int\limits_{\frac{\pi }{2}}^{\pi }{{{\cos }^{3}}x\sin xdx=\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{2}}{{{\cos }^{3}}(\frac{\pi }{2}+t)sin\left( \frac{\pi }{2}+t \right)}}dt\]

    = \[-\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{2}}{{{\cos }^{3}}x\sin xdx=-{{I}_{1}}}.\]

    Vậy I = 0. Ta chọn C.

    Nhận xét: Với bài toán trên ta có thể sử dụng máy tính cầm tay (chẳng hạn CASIO fx-570VN PLUS) như sau:

    Bước 1. Ta chuyển ấn máy về chế độ Radian.

    Bước 2. Ta ấn lệnh \[\int\limits_{0}^{\pi }{{{(\cos (X))}^{3}}\sin (X)dx}\] được kết quả 0, suy ra phương án C.

    Chú ý:

    - Nếu \[f(x)\] là hàm số liên tục và lẻ trên [-a;a], tức là

    \[f(-x)=-f(x),\forall x\in [-a;a]\] thì \[\int\limits_{-a}^{a}{f(x)dx=0.}\]

    Đặc biệt, nếu \[f(x)\] là hàm số liên tục và lẻ trên [-1; 1] thì

    \[\int\limits_{0}^{\pi }{f(cosx)sinxdx}=0;\] và \[\int\limits_{-\frac{\pi }{2}}^{\frac{\pi }{2}}{f(sinx)cosxdx}=0;\]

    Nếu \[f(x)\] là hàm số liên tục và chẵn trên [-a,a], tức là

    \[f(-x)=f(x),\forall x\in [-a;a]\] thì \[\int\limits_{-a}^{a}{f(x)dx=2\int\limits_{0}^{a}{f(x)dx.}}\]

    Đặc biệt, nếu \[f(x)\] là hàm số liên tục và chẵn trên [-1; 1] thì:

    \[\int\limits_{0}^{\pi }{f(\cos x)\sin xdx=2\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{2}}{f(\cos x)\sin xdx;}}\]

    \[\int\limits_{-\frac{\pi }{2}}^{\frac{\pi }{2}}{f(sinx)cosxdx=2\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{2}}{f(sinx)cosxdx;}}\]

    Nhận xét: Câu hỏi trong ví dụ 3.10 có thể được xếp vào câu hỏi ở mức độ vận dụng. Nếu học sinh nắm được các chú ý ở trên thì có thể lựa chọn ngay được phương án đúng mà không cần phải tiến hành các tính toán cụ thể.

    Ví dụ 3.11. Cho a là hằng số thực dương. Tích phân \[I=\int\limits_{0}^{a}{\frac{dx}{{{a}^{2}}+{{x}^{2}}}}\] có giá trị bằng:

    A. \[\frac{\pi }{4a}\].

    B. \[\frac{\pi }{5a}\].

    C. \[\frac{\pi }{6a}.\]

    D. \[\frac{7,85}{10a}.\]

    Hướng dẫn giải

    Đặt \[x=a\tan t\Rightarrow dx=\frac{adt}{{{\cos }^{2}}t}.\]

    Đổi cận $\left\{\begin{matrix} x=0\Rightarrow t=0 & \\ x=a\Rightarrow t=\frac{\Pi }{4} & \end{matrix}\right.$

    Suy ra \[I=\int\limits_{0}^{a}{\frac{dx}{{{a}^{2}}+{{x}^{2}}}}=\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{4}}{\frac{adt}{{{a}^{2}}(1+{{\tan }^{2}}t){{\cos }^{2}}t}}=\int\limits_{0}^{\frac{\pi }{4}}{\frac{dt}{a}=\frac{\pi }{4a}.}\]

    Vậy ta chọn A.

    Nhận xét: Câu hỏi trong ví dụ 3.11 có thể được xếp vào câu hỏi ở mức độ vận dụng. Học sinh có thể cho a một giá trị cụ thể, chẳng hạn a = 1 rồi sử dụng máy tính cầm tay để lựa chọn được phương án đúng.