Разбор ошибки в интегральном вычислении: автор при вычислении интеграла ∫ 0^1 ln(x) dx применил подстановку x -> 1-x и получил положительный результат. Проанализируйте, где мог быть промах, и укажите правильный ход мысли для оценки знака
Коротко: ошибка — в алгебре или в обращении с пределами при подстановке. Правильный ответ: ∫01lnx dx=−1\int_0^1 \ln x\,dx=-1∫01lnxdx=−1, и интеграл отрицателен. Пояснение (сжатое): 1) Прямой расчёт (интегрирование по частям): ∫01lnx dx=[xlnx]01−∫011 dx.
\int_0^1 \ln x\,dx=[x\ln x]_0^1-\int_0^1 1\,dx. ∫01lnxdx=[xlnx]01−∫011dx.
Предел при x→0+x\to0^+x→0+: limx→0+xlnx=0\lim_{x\to0^+} x\ln x=0limx→0+xlnx=0. Следовательно ∫01lnx dx=(1⋅0−0)−1=−1.
\int_0^1 \ln x\,dx=(1\cdot0-0)-1=-1. ∫01lnxdx=(1⋅0−0)−1=−1. 2) Проверка через подстановку x↦1−xx\mapsto1-xx↦1−x: получаем ∫01lnx dx=∫01ln(1−x) dx,
\int_0^1 \ln x\,dx=\int_0^1 \ln(1-x)\,dx, ∫01lnxdx=∫01ln(1−x)dx,
и суммируя, 2I=∫01(lnx+ln(1−x)) dx=∫01ln(x(1−x)) dx.
2I=\int_0^1\big(\ln x+\ln(1-x)\big)\,dx=\int_0^1\ln\big(x(1-x)\big)\,dx. 2I=∫01(lnx+ln(1−x))dx=∫01ln(x(1−x))dx.
Возможный распространённый промах: принять ошибочно lnx+ln(1−x)=ln(x+1−x)=ln1=0\ln x+\ln(1-x)=\ln(x+1-x)=\ln1=0lnx+ln(1−x)=ln(x+1−x)=ln1=0 — это неверно, потому что lna+lnb=ln(ab)\ln a+\ln b=\ln(ab)lna+lnb=ln(ab), а не ln(a+b)\ln(a+b)ln(a+b). 3) Оценка знака: для x∈(0,1)x\in(0,1)x∈(0,1) выполнено x(1−x)≤14x(1-x)\le\frac14x(1−x)≤41, значит ln(x(1−x))≤ln14=−ln4\ln(x(1-x))\le\ln\frac14=-\ln4ln(x(1−x))≤ln41=−ln4, поэтому 2I≤−ln42I\le -\ln42I≤−ln4 и I≤−ln2<0I\le-\ln2<0I≤−ln2<0. Ещё проще: на (0,1)(0,1)(0,1)lnx<0\ln x<0lnx<0, значит интеграл по положительному отрезку отрицателен. Итого: ошибка — в неверных преобразованиях логарифмов или в ошибке со знаками/пределами; правильный результат ∫01lnx dx=−1\int_0^1\ln x\,dx=-1∫01lnxdx=−1.
Пояснение (сжатое):
1) Прямой расчёт (интегрирование по частям):
∫01lnx dx=[xlnx]01−∫011 dx. \int_0^1 \ln x\,dx=[x\ln x]_0^1-\int_0^1 1\,dx.
∫01 lnxdx=[xlnx]01 −∫01 1dx. Предел при x→0+x\to0^+x→0+: limx→0+xlnx=0\lim_{x\to0^+} x\ln x=0limx→0+ xlnx=0. Следовательно
∫01lnx dx=(1⋅0−0)−1=−1. \int_0^1 \ln x\,dx=(1\cdot0-0)-1=-1.
∫01 lnxdx=(1⋅0−0)−1=−1.
2) Проверка через подстановку x↦1−xx\mapsto1-xx↦1−x: получаем
∫01lnx dx=∫01ln(1−x) dx, \int_0^1 \ln x\,dx=\int_0^1 \ln(1-x)\,dx,
∫01 lnxdx=∫01 ln(1−x)dx, и суммируя,
2I=∫01(lnx+ln(1−x)) dx=∫01ln(x(1−x)) dx. 2I=\int_0^1\big(\ln x+\ln(1-x)\big)\,dx=\int_0^1\ln\big(x(1-x)\big)\,dx.
2I=∫01 (lnx+ln(1−x))dx=∫01 ln(x(1−x))dx. Возможный распространённый промах: принять ошибочно lnx+ln(1−x)=ln(x+1−x)=ln1=0\ln x+\ln(1-x)=\ln(x+1-x)=\ln1=0lnx+ln(1−x)=ln(x+1−x)=ln1=0 — это неверно, потому что lna+lnb=ln(ab)\ln a+\ln b=\ln(ab)lna+lnb=ln(ab), а не ln(a+b)\ln(a+b)ln(a+b).
3) Оценка знака: для x∈(0,1)x\in(0,1)x∈(0,1) выполнено x(1−x)≤14x(1-x)\le\frac14x(1−x)≤41 , значит ln(x(1−x))≤ln14=−ln4\ln(x(1-x))\le\ln\frac14=-\ln4ln(x(1−x))≤ln41 =−ln4, поэтому 2I≤−ln42I\le -\ln42I≤−ln4 и I≤−ln2<0I\le-\ln2<0I≤−ln2<0. Ещё проще: на (0,1)(0,1)(0,1) lnx<0\ln x<0lnx<0, значит интеграл по положительному отрезку отрицателен.
Итого: ошибка — в неверных преобразованиях логарифмов или в ошибке со знаками/пределами; правильный результат ∫01lnx dx=−1\int_0^1\ln x\,dx=-1∫01 lnxdx=−1.