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2026 MIT Integration Qualifier Tests

笔者太菜了,只会做资格赛的题,等我哪天上了大学再去进行积分大学习吧。

T1

ππsin2025(x)cos2026(x)dx\int_{-\pi}^{\pi} \sin^{2025}(x) \cos^{2026}(x) \, \mathrm{d}x
注意到,函数 sin2k1(x),kN+\sin^{2k-1}(x),k\in\N^+ 是奇函数,而 cosk(x),kN+\cos^k(x),k\in \N^+ 是偶函数,所以积分函数是奇函数。积分上下界关于 00 对称,且函数值有界,所以答案为 00

T2

e2026ex+xdx\int e^{2026e^x + x} \,\mathrm{d}x
e2026ex+xdx=e2026exexdx=e2026exdex=e2026ex2026+C\begin{aligned} \int e^{2026e^x + x} \, \mathrm{d}x&=\int e^{2026e^x}e^x \, \mathrm{d}x\\ &=\int e^{2026e^x } \, \mathrm{d}e^x\\ &=\frac{e^{2026e^x}}{2026}+C \end{aligned}

T3

02026{x3}dx\int_{0}^{2026} \left\{ \frac{\lfloor x \rfloor}{3} \right\} \, \mathrm{d}x
这里的 {x}\{x\} 表示取 xx 的小数部分。
由于是下取整套一个取小数,所以显然是存在循环节的,不难瞪出来是以 33 为循环节的,所以我们先考虑:
03{x3}dx=01{03}dx+12{13}dx+23{23}dx=0+13+23=1\begin{aligned} \int_{0}^{3} \left\{ \frac{\lfloor x \rfloor}{3} \right\} \, \mathrm{d}x&=\int_{0}^{1} \left\{ \frac{0}{3}\right\} \, \mathrm{d}x+\int_{1}^{2} \left\{ \frac{1}{3}\right\} \, \mathrm{d}x+\int_{2}^{3} \left\{ \frac{2}{3}\right\} \, \mathrm{d}x\\ &=0+\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\\ &=1 \end{aligned}
于是,我们就有:
02026{x3}dx=67503{x3}dx+0=675\begin{aligned} \int_{0}^{2026} \left\{ \frac{\lfloor x \rfloor}{3} \right\} \, \mathrm{d}x&=675\int_{0}^{3} \left\{ \frac{\lfloor x \rfloor}{3} \right\} \, \mathrm{d}x+0=675 \end{aligned}

T4

11x+x++x+x2026  xsdx\int_{-1}^{1} \underbrace{\left| x + |x + |\cdots + |x + |x||\cdots|| \right|}_{2026\;x's} \,\mathrm{d}x
嵌套看力竭了,先考虑一部分,即 x+x|x+|x||
不难发现,当 x<0x<0 时有 x+x=0|x+|x||=0,而 x>0x>0x+x=2x|x+|x||=2x
所以我们就可以归纳了,不妨设:
fk(x)={0x<02kxx>0f_k(x)= \left \{ \begin{aligned} &0 & x<0\\ &2kx & x>0 \end{aligned} \right.
我们有:
x+x+fk(x)={0x<02x+fk(x)x>0 fk+1(x)=x+x+fk(x)|x+|x+f_k(x)||=\left \{ \begin{aligned} &0 & x<0\\ &2x+f_k(x) & x>0 \end{aligned} \right. \\~\\ \Rightarrow f_{k+1}(x)=|x+|x+f_k(x)||
设原积分为 II,所以:
I=11f1013(x)dx=012026xdx=1013\begin{aligned} I&=\int_{-1}^{1}f_{1013}(x)\mathrm{d}x\\ &=\int_{0}^{1}2026x\mathrm{d}x\\ &=1013 \end{aligned}

T5

dxx+1x1\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x + 1} - \sqrt{x - 1}}
dxx+1x1=x+1+x12dx=x+12dx+x12dx=13((x+1)32+(x1)32)+C\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x + 1} - \sqrt{x - 1}}&=\int \frac{\sqrt{x+1}+\sqrt{x-1}}{2}\mathrm{d}x\\ &=\int \frac{\sqrt{x+1}}{2}\mathrm{d}x+\int\frac{\sqrt{x-1}}{2}\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{3}\left((x+1)^{\frac{3}{2}}+(x-1)^{\frac{3}{2}}\right)+C \end{aligned}

T6

1+cosh(x)dx\int \sqrt{1 + \cosh(x)} \, \mathrm{d}x
由于:
cosh(x)=ex+ex2\cosh(x)=\frac{e^x+e^{-x}}{2}
所以:
1+cosh(x)=2+ex+ex2=(ex2+ex2)22=2cosh2(x2)1+\cosh(x)=\frac{2+e^x+e^{-x}}{2}=\frac{\left(e^{\frac{x}{2}}+e^{-\frac{x}{2}}\right)^2}{2}=2\cosh^2\left(\frac{x}{2}\right)
于是原积分 II 就有:
I=2cosh(x2)dx=22sinh(x2)+C\begin{aligned} I&=\int\sqrt2\cosh\left(\frac{x}{2}\right)\mathrm dx\\ &=2\sqrt 2 \sinh\left(\frac{x}{2}\right)+C \end{aligned}

T7

2ln(x)x2dx\int \frac{2^{\ln(x)}}{x^2} \, \mathrm{d}x
2ln(x)x2dx=2ln(x)(1x2)dxu1x2ln(u)du=uln2du=1ln21u1ln2+C=1ln21(1x)1ln2+C \begin{aligned} \int \frac{2^{\ln(x)}}{x^2} \, \mathrm{d}x&=-\int2^{\ln(x)}\left(-\frac{1}{x^2}\right)\mathrm{d}x\\ &\stackrel{u\gets\frac{1}{x}}{\Longrightarrow}-\int2^{-\ln(u)}\mathrm{d}u\\ &=-\int u^{-\ln2}\mathrm{d}u\\ &=\frac{1}{\ln2-1}u^{1-\ln2}+C\\ &=\frac{1}{\ln2-1}\left(\frac{1}{x}\right)^{1-\ln2}+C \end{aligned}

T8

01/2(n=2xn)dx\int_{0}^{1/2} \left( \sum_{n=2}^{\infty} x^n \right) \, \mathrm{d}x
考虑内部的无穷级数,由于积分上下界绝对值小于 11,所以有:
n=2xn=x21x=(x+1+1x1)\sum_{n=2}^{\infty} x^n =\frac{x^2}{1-x}=-\left(x+1+\frac{1}{x-1}\right)
那么原积分 II 就有:
I=012(x+1+1x1)dx=(x22+x+ln1x)012=ln258\begin{aligned} I&=-\int_{0}^{\frac{1}{2}}\left(x+1+\frac{1}{x-1}\right)\mathrm{d}x\\ &=-\left(\frac{x^{2}}{2} + x + \ln|1-x|\right)\Bigg|_{0}^{\frac{1}{2}}\\ &=\ln2-\frac{5}{8} \end{aligned}

T9

x2sin(x)dx\int x^2 \sin(x) \, \mathrm{d}x
分部积分法的应用说是,对于原积分 II,我们有:
I=x2(cos(x))2x(cos(x))dx=x2cos(x)+2xcos(x)dx\begin{aligned} I&=x^2\left(-\cos(x\right))-\int2x(-\cos(x))\mathrm{d}x\\ &=-x^2\cos(x)+2\int x\cos(x)\mathrm{d}x \end{aligned}
不妨设后面那个积分为 JJ,有:
J=xsin(x)sin(x)dx=xsin(x)+cos(x)+C\begin{aligned} J&=x\sin(x)-\int\sin(x)\mathrm{d}x\\ &=x\sin(x)+\cos(x)+C \end{aligned}
带回原式则有:
I=x2cos(x)+2xsin(x)+2cos(x)+CI=-x^2\cos(x)+2x\sin(x)+2\cos(x)+C

T10

(x1)22ex+x2+1dx\int \frac{(x-1)^2}{2e^x + x^2 + 1} \, \mathrm{d}x
注意力太差了怎么办。
分母形式复杂,考虑将分母整体换元成 f(x)f(x),考察 f(x)f'(x),易知:
f(x)=2ex+2xf'(x)=2e^x+2x
注意到
f(x)f(x)=x22x+1=(x1)2f(x)-f'(x)=x^2-2x+1=(x-1)^2
正好就是分母!所以原积分 II 有:
I=f(x)f(x)f(x)dx=x1f(x)df(x)=xln2ex+x2+1+C\begin{aligned} I&=\int\frac{f(x)-f'(x)}{f(x)}\mathrm{d}x\\ &=x-\int\frac{1}{f(x)}\mathrm{d}f(x)\\ &=x-\ln|2e^x+x^2+1|+C \end{aligned}

T11

11max(0,1x212)dx\int_{-1}^{1} \max \left( 0, \sqrt{1 - x^2} - \frac{1}{2} \right) \, \mathrm{d}x
考虑黎曼积分的几何意义,发现是 12\frac{1}{2} 单位元去掉 y<12y<\frac{1}{2} 那一部分的面积,于是我们原积分 II 有:
I=π234π6=π334I=\frac{\pi}{2}-\frac{\sqrt 3}{4}-\frac{\pi}{6}=\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt 3}{4}

T12

01x2+x+x2+x+dx\int_{0}^{1} \sqrt{x^2 + x + \sqrt{x^2 + x + \sqrt{\cdots}}} \, \mathrm{d}x
考察上述函数极限,我们设 f(x)f(x) 为内部的函数,则我们有函数方程:
f2(x)=f(x)+x2+xf^2(x)=f(x)+x^2+x
考虑将平方项挪到等号一侧,则有:
f2(x)x2=f(x)+x(f(x)x)(f(x)+x)=f(x)+x\begin{aligned} f^2(x)-x^2&=f(x)+x\\ (f(x)-x)(f(x)+x)&=f(x)+x \end{aligned}
易知 f(x)+x>0f(x)+x>0,所以有:
f(x)x=1f(x)=x+1f(x)-x=1\Rightarrow f(x)=x+1
由递归操作的单调性和有界性易证函数极限存在,所以原积分 II 有:
I=01(x+1)dx=32I=\int_{0}^{1}(x+1)\mathrm{d}x=\frac{3}{2}

T13

(cos5(x)10cos3(x)sin2(x)+5cos(x)sin4(x))dx\int (\cos^5(x) - 10 \cos^3(x) \sin^2(x) + 5 \cos(x) \sin^4(x)) \, \mathrm{d}x
注意一下系数,发现三角指数和是 55,三角前的系数是 1,10,51,10,5,不难想到杨辉三角中 1,5,10,10,5,11,5,10,10,5,1 的那一行,摆明了是让你去凑一个 (Acos(x)+Bsin(x))5(A\cos(x)+B\sin(x))^5 的形式。
但是,你发现 sin\sin 的偶次方项前面的系数的正负竟然是不一样的,再加上 sin\sin 的奇数次方项是没有的,不难想到直接凑成 cos(x)+isin(x)\cos(x)+i\sin(x) 的形式然后取实部。
于是我们原积分 II 就有:
I=[(cos(x)+isin(x))5dx]=[e5ixdx]=[e5ix5i+C]=[cos(5x)+isin(5x)5i+C]=sin(5x)5+C\begin{aligned} I&=\Re\left[\int (\cos(x)+i\sin(x))^5\mathrm{d}x\right]\\ &=\Re\left[\int e^{5ix}\mathrm{d}x \right]\\ &=\Re\left[\frac{e^{5ix}}{5i}+C\right]\\ &=\Re\left[\frac{\cos(5x)+i\sin(5x)}{5i}+C\right]\\ &=\frac{\sin(5x)}{5}+C \end{aligned}

T14

arctan(x)dx\int \arctan(\sqrt{x}) \, \mathrm{d}x
arctan(x)dxuxarctan(u)du2=2arctan(u)udu\begin{aligned} \int \arctan(\sqrt{x}) \, \mathrm{d}x&\stackrel{u\gets\sqrt x}{\Longrightarrow} \int\arctan(u)\mathrm{d}u^2\\ &=2\int\arctan(u)u\mathrm{d}u \end{aligned}
设后面的积分为 JJ,对其进行分部积分:
J=arctan(u)u2212u21+u2du=arctan(u)u2212(111+u2)du=arctan(u)u22u2+arctan(u)2\begin{aligned} J&=\arctan(u)\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}\int\frac{u^2}{1+u^2}\mathrm{d}u\\ &=\arctan(u)\frac{u^2}{2}-\frac{1}{2}\int\left(1-\frac{1}{1+u^2}\right)\mathrm{d}u\\ &=\arctan(u)\frac{u^2}{2}-\frac{u}{2}+\frac{\arctan(u)}{2} \end{aligned}
带回去,再把 uu 换回 x\sqrt x 即可:
I=xarctan(x)x+arctan(x)I=x\arctan(\sqrt x)-\sqrt x+\arctan(\sqrt x)

T15

01000(x+x+{x}+{x}+{x}+{x})dx\int_{0}^{1000} \left( \lfloor \lceil x \rceil \rfloor + \lceil \lfloor x \rfloor \rceil + \lfloor \{x\} \rfloor + \{ \lfloor x\rfloor \} + \lceil \{x\} \rceil + \{ \lceil x \rceil\} \right) \, \mathrm{d}x
分项算,先考虑前两项,内层操作完事之后就直接是整数了,所以等价于内层操作,于是:
I1=500500,I2=499500I_1=500500,I_2=499500
第三项取完小数再下取整,那就恒为 00,第四项下取整完再取小数,那也是 00,所以:
I3=I4=0I_3=I_4=0
第五项取完小数再上取整,除掉整数点那就是 11,而整数部分是零测集,可以直接忽略。第六项上取整完再取小数,那就是 00,所以:
I5=1000,I6=0I_5=1000,I_6=0
于是,原积分 II 有:
I=i=16Ii=1001000I=\sum_{i=1}^6I_i=1001000

T16

cos(x)cot(x)csc(x)sin(x)tan(x)sec(x)dx\int\sqrt{ \frac{\cos(x) \cot(x) \csc(x)}{\sin(x) \tan(x) \sec(x)}} \, \mathrm{d}x
首先把这个牛鬼蛇神的式子化简,能够得到原积分 II 等于一个很简单的形式:
I=cos2(x)sin2(x)dxI=\int \frac{\cos^2(x)}{\sin^2(x)}\mathrm{d}x
现在我们回忆一下 cot(x)\cot(x) 的导数:
cot(x)=sin2(x)cos2(x)sin2(x)=1sin2(x)\cot'(x)=\frac{-\sin^2(x)-\cos^2(x)}{\sin^2(x)}=-\frac{1}{\sin^2(x)}
于是你发现:
I=(1sin2(x)1)dx=cot(x)x+C\begin{aligned} I&=\int\left(\frac{1}{\sin^2(x)}-1\right)\mathrm{d}x\\ &=-\cot(x)-x+C \end{aligned}

T17

ex21+e2xdx\int_{-\infin}^{\infty} \frac{e^{-x^2}}{1 + e^{2x}} \, \mathrm{d}x
考虑设内部函数为 f(x)f(x),则我们能够注意到:
f(x)+f(x)=ex21+e2x+e2xex21+e2x=ex2\begin{aligned} f(x)+f(-x)&=\frac{e^{-x^2}}{1+e^{2x}}+\frac{e^{2x}e^{-x^2}}{1+e^{2x}}\\ &=e^{-x^2} \end{aligned}
所以我们有:
2I=ex2=π2I=\int_{-\infin}^{\infin}e^{-x^2}=\sqrt \pi
那么:
I=π2I=\frac{\sqrt \pi}{2}

T18

(sin2(x)x2sin(2x)x)dx\int \left( \frac{\sin^2(x)}{x^2} - \frac{\sin(2x)}{x} \right) \, \mathrm{d}x
我们注意到:
[sin2(x)]=2sin(x)cos(x)=sin(2x)\left[\sin^2(x)\right]'=2\sin(x)\cos(x)=\sin(2x)
于是我们有:
I=sin2(x)x[sin2(x)]x2dx=sin2(x)x+C\begin{aligned} I&=\int\frac{\sin^2(x)-x\left[\sin^2(x)\right]'}{x^2}\mathrm{d}x\\ &=-\frac{\sin^2(x)}{x}+C \end{aligned}

T19

ln(ln(x))ln(ln(ln(x)))xln(x)dx\int \frac{\ln(\ln(x)) \ln(\ln(\ln(x)))}{x \ln(x)} \, \mathrm{d}x
换元!换元!换元!
Iuln(x)ln(u)ln(ln(u))uduvln(u)vln(v)dv=v22ln(v)v221vdv=v22ln(v)v24+C=ln2(ln(x))2ln(ln(ln(x)))ln2(ln(x))4+C\begin{aligned} I&\stackrel{u\gets\ln(x)}{\Longrightarrow}\int\frac{\ln(u)\ln(\ln(u))}{u}\mathrm{d}u\\ &\stackrel{v\gets\ln(u)}{\Longrightarrow}\int v\ln(v)\mathrm{d}v\\ &=\frac{v^2}{2}\ln(v)-\int\frac{v^2}{2}\cdot\frac{1}{v}\mathrm{d}v\\ &=\frac{v^2}{2}\ln(v)-\frac{v^2}{4}+C\\ &=\frac{\ln^2(\ln(x))}{2}\ln(\ln(\ln(x)))-\frac{\ln^2(\ln(x))}{4}+C \end{aligned}

T20

0π/2cos2(π2cos2(π2cos2(x)))dx\int_{0}^{\pi/2} \cos^2\left(\frac{\pi}{2} \cos^2\left(\frac{\pi}{2} \cos^2(x)\right)\right) \, \mathrm{d}x
由诱导公式,cos(π2x)=sin(x)\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin(x),于是我们有:
J=0π/2sin2(π2cos2(π2cos2(x)))dx=0π/2cos2(π2π2cos2(π2cos2(x)))dx\begin{aligned} J=\int_{0}^{\pi/2} \sin^2\left(\frac{\pi}{2} \cos^2\left(\frac{\pi}{2} \cos^2(x)\right)\right) \, \mathrm{d}x&=\int_{0}^{\pi/2} \cos^2\left(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{2} \cos^2\left(\frac{\pi}{2} \cos^2(x)\right)\right) \, \mathrm{d}x \end{aligned}
如果我们能够证明函数 π2cos2(π2cos2(x))\frac{\pi}{2} \cos^2\left(\frac{\pi}{2} \cos^2(x)\right) 存在一个位于 x=π4x=\frac{\pi}{4} 上的对称中心,就可以通过区间再现证明 I=JI=J 了,那么是否存在这样一个对称中心呢?
不妨设上述函数为 f(x)f(x),则:
f(π2x)=π2cos2(π2sin2(x))=π2cos2(π2π2cos2(x))=π2sin2(π2cos2(x))\begin{aligned} f\left(\frac{\pi}{2}-x\right)&=\frac{\pi}{2}\cos^2\left(\frac{\pi}{2}\sin^2(x)\right)\\ &=\frac{\pi}{2}\cos^2\left(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{2}\cos^2(x)\right)\\ &=\frac{\pi}{2}\sin^2\left(\frac{\pi}{2}\cos^2(x)\right) \end{aligned}
于是:
f(x)+f(π2x)=π2f(x)+f\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\frac{\pi}{2}
所以函数 f(x)f(x) 确实存在一个位于 (π4,π4)\left(\frac{\pi}{4},\frac{\pi}{4}\right) 的对称中心,所以我们有:
I=JI=J
那么:
2I=I+J=0π21dx=π2 I=π42I=I+J=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}1\mathrm{d}x=\frac{\pi}{2}\\~\\ \Rightarrow I=\frac{\pi}{4}

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