积分不等式与估值一例

问题:求证

\[\frac{\pi}{6}<\int_0^1{\frac{\text{d}x}{\sqrt{4-x^2-x^3}}}<\frac{\pi}{4\sqrt{2}} \]


过程如下:

注意到不等式两边数值与\(\displaystyle\pi\)有关,那么要对被积函数进行放缩,使其积分出来的原函数与三角函数相关。

一方面

\[\begin{align*} \int_0^1{\frac{\text{d}x}{\sqrt{4-x^2-x^3}}}&>\int_0^1{\frac{\text{d}x}{\sqrt{4-x^2}}} \&=\text{arc}\sin \frac{x}{2}\big|_{0}^{1} \&=\frac{\pi}{6} \end{align*} \]

另一方面,由于\(\displaystyle 0<x<1\),所以有\(\displaystyle x^3<x^2\),因此

\[\begin{align*} \int_0^1{\frac{\text{d}x}{\sqrt{4-x^2-x^3}}}&<\int_0^1{\frac{\text{d}x}{\sqrt{4-x^2-x^2}}} \&=\frac{1}{\sqrt{2}}\int_0^1{\frac{\text{d}x}{\sqrt{2-x^2}}} \&=\frac{1}{\sqrt{2}}\text{arc}\sin \frac{x}{\sqrt{2}}\big|_{0}^{1} \&=\frac{\pi}{4\sqrt{2}} \end{align*} \]

故原不等式成立。

积分不等式与估值一例

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