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【格物致知·代数】5-4-07分部积分法『微积分初步』

作者:山嵓发布时间:2024-09-27

【阅前提示】我在原有“数理化自学丛书”系列17册的基础上又添加了1册八五人教甲种本《微积分初步》,原因有二:一则,我是双鱼座,有一定程度的偶双症,但“自学丛书”系列中代数4册、几何5册实在令我刺挠,因此就需要加入一本代数,使两边能够对偶平衡;二则,我认为《微积分初步》这本书对“准大学生”很重要,以我的惨痛教训为例,大一高数第一堂课,我是直接蒙圈,学了个寂寞。另外大学物理的前置条件是必须有基础微积分知识,因此我所读院校的大学物理课是推迟开课;而比较生猛的大学则是直接开课,然后在绪论课中猛灌基础高数(例如田光善舒幼生老师的力学课)。我选择在“自学丛书”17本的基础上添加这本《微积分初步》,就是希望小伙伴升大学前可以看看,不至于像我当年那样被高数打了个措手不及。  

第四章不定积分 

§4-7分部积分法

【01】我们知道,两个函数乘积的导数法则是 (uv)'=vu'+uv'  。

【02移项,得 uv'=(uv)'-vu'  。

【03两边积分,得 ʃuv'dx=uv-ʃvu'dx  。

【04或简写成如下形式:

【05这个公式叫做分部积分公式。如果求 ʃvdu 比较容易时,就可以利用分部积分公式,将求 ʃudv 形式的不定积分转化为求 ʃvdu 形式的不定积分。用这个公式求不定积分的方法叫做分部积分法

例1.求 ʃ xcosx dx  。

【解】

设 u=x,dx=cosxdx,

则 du=dx,v=sinx  。

由分部积分公式,得

ʃ xcosx dx=xsinx-ʃ sinx dx=xsinx+cosx+C  。

例2.求ʃ xeˣ dx  。

【解】

设 u=x,dv=eˣdx,

则 du=dx,v=eˣ  。

由分部积分公式,得

ʃ xeˣ dx=xeˣ-ʃ eˣ dx=xeˣ-eˣ+C  。

【注意】

用分部积分公式的关键是 u 与 dv 的选择要得当,否则可能会使问题愈来愈繁。

在例2中,如果改设 u=eˣ,dv=xdx,则 du=eˣdx,v=x²/2,

按分部积分公式得 ʃxeˣdx=(1/2)x²eˣ-(1/2)ʃx²eˣdx,

这时,上式右端第二项的积分比原来的积分更复杂了。

例3.求 ʃ arctgx dx  。

【解】

将 arctgx 看作 u,dx 看作 du,

即设 u=arctgx,dv=dx,

则 du=[1/(1+x²)]dx,v=x  。

由分部积分公式,得

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%5Cint%5Coperatorname%7Barc%7D%5Coperatorname%7Btg%7Dxdx%26%3Dx%5Coperatorname%7Barc%7D%5Coperatorname%7Btg%7Dx-%5Cint%5Cfrac%7Bx%7D%7B1%2Bx%5E%7B2%7D%7Ddx%5C%5C%26%3Dx%5Coperatorname%7Barc%7D%5Coperatorname%7Btg%7Dx-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2Bx%5E%7B2%7D%7Dd(1%2Bx%5E%7B2%7D)%5C%5C%26%3Dx%5Coperatorname%7Barc%7D%5Coperatorname%7Btg%7Dx-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cln(1%2Bx%5E%7B2%7D)%2BC.%5Cend%7Baligned%7D

例4.求 ʃ xlnx dx  。

【解】

设 u=lnx,dv=xdx,

则 du=(1/x)dx;v=(1/2)x²  。

由分部积分公式,得

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%5Cint%20x%5Cln%20xdx%26%20%3D%7B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%7Dx%5E%7B2%7D%5Cln%20x-%5Cint%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%7D%7D%5Ccdot%7B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%7D%20x%5E%7B2%7Ddx%20%5C%5C%0A%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dx%5E%7B2%7D%5Cln%20x-%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cint%20xdx%20%5C%5C%0A%26%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dx%5E%7B2%7D%5Cln%20x-%5Cfrac%7B1%7D%7B4%7Dx%5E%7B2%7D%2BC.%0A%5Cend%7Baligned%7D

练习

用分部积分法求不定积分:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%26(1)%5Cint%20x%5Csin%20xdx%3B%5C%5C%26(2)%5Cint(x%2B1)%5Ccos%20xdx%3B%5C%5C%26(3)%5Cint%20xe%5E%7B-x%7Ddx%3B%5C%5C%26(4)%5Cint%20xe%5E%7B2x%7Ddx%3B%5C%5C%26(5)%5Cint%5Cmathrm%7Barc~ctg%7Dxdx%3B%5C%5C%26(6)%5Cint%20x%5Coperatorname%7Barc%7D%5Coperatorname%7Btg%7Dxdx%3B%5C%5C%26(7)%5Cint%5Cln%20xdx%3B%5C%5C%26(8)%5Cint(x%2B1)%5Cln%20xdx.%5Cend%7Baligned%7D

积分表的用法

【06求一个函数的不定积分,比求它的导数或微分往往困难得多,因此我们把常见的被积函数的积分结果列成积分表。这样,在实际计算积分时,就可以利用积分表来求得函数的积分。本书后面附有简易积分表。

【07积分表是按被积函数的类型编排的。查表求积分时,根据被积函数的类型,或经过适当的变换,化成表中所列函数类型,查出相应的公式,便可求得结果。

例1. %5Csmall%5Cint%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D%20(%202%2B3x%20)%7Ddx 

【解】

这个被积函数是有理函数,可在附表的(二)中查出公式24是

%5Cscriptsize%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D%5Cleft(a%2Bbx%5Cright)%7Ddx%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7Bax%7D%2B%5Cfrac%7Bb%7D%7Ba%5E%7B2%7D%7D%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7Ba%2Bbx%7D%7Bx%7D%5Cright%7C%2BC  。

因此,以 a=2,b=3 代入这个公式,便得所求不定积分

%5Cscriptsize%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D%5Cleft(2%2B3x%5Cright)%7Ddx%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B2x%7D%2B%5Cfrac%7B3%7D%7B4%7D%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7B2%2B3x%7D%7Bx%7D%5Cright%7C%2BC  。

例2.%5Csmall%5Cint%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5Csqrt%7B4x%5E%7B2%7D%2B9%7D%7Ddx  。

【解】

这个被积式不能在表中直接查到,需要先进行变量替换。

设 2x=u,那么 √(4x²+9)=√(u²+3²),x=u/2,dx=(1/2)du,于是

%5Cscriptsize%0A%5Cint%5Cfrac1%7Bx%5Csqrt%7B4x%5E%7B2%7D%2B9%7D%7Ddx%20%3D%5Cint%5Cfrac1%7B%5Cfrac%7Bu%7D%7B2%7D%5Csqrt%7Bu%5E%7B2%7D%2B3%5E%7B2%7D%7D%7D%5Ccdot%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Ddu%20%3D%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bu%5Csqrt%7Bu%5E%7B2%7D%2B3%5E%7B2%7D%7D%7Ddu  。

上式中的被积函数是无理函数,可以在附表的(三)中查出公式50是

%5Cscriptsize%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bu%5Csqrt%7Bu%5E%7B2%7D%2Ba%5E%7B2%7D%7D%7Ddu%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7Ba%2B%5Csqrt%7Bu%5E%7B2%7D%2Ba%5E%7B2%7D%7D%7D%7Bu%7D%5Cright%7C%2BC  。

因此,以 a=3 代人这个公式,得

%5Cscriptsize%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bu%5Csqrt%7Bu%5E%7B2%7D%2B3%5E%7B2%7D%7D%7Ddu%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7B3%2B%5Csqrt%7Bu%5E%7B2%7D%2B3%5E%7B2%7D%7D%7D%7Bu%7D%5Cright%7C%2BC  。

最后把 u=2x 代人,得到所求不定积分

%5Cscriptsize%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5Csqrt%7B4x%5E%7B2%7D%2B9%7D%7Ddx%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%5Cln%5Cleft%7C%5Cfrac%7B3%2B%5Csqrt%7B4x%5E%7B2%7D%2B9%7D%7D%7B2x%7D%5Cright%7C%2BC  。

练习

利用积分表求不定积分:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%26(1)%5Cint%5Cfrac%7Bx%7D%7B(3x%2B5)%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%5C%5C%26(2)%5Cint%5Cfrac%7Bx%7D%7B(1%2Bx%5E%7B2%7D)%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%5C%5C%26(3)%5Cint%5Csin3x%5Csin5xdx%3B%5C%5C%26(4)%5Cint%5Csqrt%7B2x%5E%7B2%7D%2B1%7Ddx%3B%5C%5C%26(5)%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B3%2B5x%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%5C%5C%26(6)%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csin%20x%7Ddx%3B%5C%5C%26(7)%5Cint%5Csin%5E%7B4%7Dxdx%3B%5C%5C%26(8)%5Cint%20x%5E%7B4%7D%5Cln%20xdx.%5Cend%7Baligned%7D

习题十四

1、用换元积分法求不定积分:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26(1)%20%5Cint%20%5Csqrt%7B2%2B3x%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(2)%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cfrac%7B1%7D%7Bx-1%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(3)%5Cint%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7B1%2Bx%5E%7B3%7D%7Ddx%3B%20%20%5C%5C%0A%26(4)%20%5Cint%5Cfrac%7B2x-3%7D%7Bx%5E%7B2%7D-3x%2B8%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(5)%20%5Cint%5Csin%5Cleft(3x%2B1%5Cright)dx%3B%5C%5C%0A%26%20(6)%20%5Cint%5Ccos(2-5x)dx%3B%20%5C%5C%0A%26(7)%20%5Cint%20x%5Ccos%20x%5E%7B2%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(8)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D%7D%5Csin%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(9)%20%5Cint%5Csin%5E%7B5%7Dx%5Ccos%20xdx%20%3B%20%5C%5C%0A%26(10)%20%5Cint%5Cfrac%7B%5Csin%20x%7D%7B%5Cleft(1%2B%5Ccos%20x%5Cright)%5E%7B3%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(11)%5Cint%7B%5Cfrac%7Be%5E%7Bx%7D%7D%7B1%2Be%5E%7Bx%7D%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(12)%20%5Cint%20e%5E%7B-8x%7Ddx%3B%20%5C%5C%26(13)%20%5Cint2xe%5E%7B-x%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%5C%5C%0A%26(14)%20%5Cint%5Cfrac%7Be%5E%7Bx%7D%7D%7B1%2Be%5E%7B2x%7D%7Ddx%3B%5C%5C%26(15)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B9%2B4x%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%5C%5C%26(16)%20%5Cint(1%2B%5Cmathrm%7Btg%7Dx)%5Csec%5E%7B2%7Dxdx%3B%5C%5C%26(17)%20%5Cint%5Csin6x%5Csin4xdx%3B%5C%5C%26(18)%20%5Cint%5Ccos7x%5Ccos3xdx%3B%5C%5C%26(19)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx(1%2B2%5Cln%20x)%7Ddx%3B%5C%5C%26(20)%20%5Cint%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7B%5Csqrt%7B2-x%5E%7B3%7D%7D%7Ddx.%0A%5Cend%7Baligned%7D

2、用换元积分法求不定积分:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26(1)%5Cint%5Cfrac%7Bx%2B1%7D%7B%5Csqrt%7B3x%2B1%7D%7Ddx%3B%5C%5C%0A%26%20(2)%5Cint%7B%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2B%5Csqrt%7B2x%7D%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(3)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%2B%5Csqrt%7Bx%7D%7Ddx%3B%5C%5C%0A%26%20(4)%20%5Cint%20%5Cfrac%7B%5Csqrt%5B4%5D%7Bx%7D%7D%7B1%2B%5Csqrt%7Bx%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(5)%20%5Cint%20%5Cfrac%7Be%5E%7B%5Csqrt%7Bx%7D%7D%7D%7B%5Csqrt%7Bx%7D%7Ddx%3B%5C%5C%0A%26(6)%20%5Cint%20%5Cfrac%7B%5Csin%5Csqrt%7Bx%7D%7D%7B%5Csqrt%7Bx%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(7)%5Cint%5Cfrac%7B%5Ccos%5Csqrt%7Bx%7D%7D%7B%5Csqrt%7Bx%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%26(8)%5Cint%5Cfrac%7Bx%5E%7B2%7D%7D%7B%5Csqrt%7B1-x%5E%7B2%7D%7D%7Ddx.%20%0A%5Cend%7Baligned%7D

3、用分部积分法求不定积分:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26(1)%20%5Cint%20x%5Csin3xdx%3B%5C%5C%0A%26(2)%20%20%5Cint%20x%5Ccos2xdx%3B%20%5C%5C%0A%26(3)%20%5Cint(2x%2B1)%5Csin%20xdx%3B%20%5C%5C%0A%26(4)%20%5Cint%20x%5Ccos%5Cleft(%5Comega%20x%2B%5Cvarphi%5Cright)dx%3B%20%5C%5C%0A%26(5)%5Cint%20t%5Csin%5Cleft(%5Comega%20t%2B%5Cvarphi%5Cright)dt%20%3B%20%5C%5C%0A%26%20(6)%20%5Cint(x%2B1)e%5E%7Bx%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(7)%20%5Cint%20xe%5E%7B4z%7Ddx%20%3B%20%5C%5C%0A%26(8)%20%20%5Cint%20xe%5E%7B-3x%7Ddx%20%3B%20%5C%5C%0A%26(9)%20%5Cint%20x%5Coperatorname%7Barc%7D%5Coperatorname%7Bctg%7Dxdx%20%3B%20%5C%5C%0A%26%20(10)%20%5Cint%20arc%5Csin%20xdx%3B%20%5C%5C%0A%26(11)%20%20%5Cint%20x%5Cln(3x-2)dx%20%3B%20%5C%5C%0A%26(12)%20%20%5Cint%20%5Cln(1%2Bx%5E2)dx%20%3B%20%5C%5C%0A%5Cend%7Baligned%7D

4*、用积分表求不定积分:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26(1)%5Cint%7B%5Cleft(2x%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cright)%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(2)%5E%7B%5Ccdot%7D%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D%2B9%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(3)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B(x%5E%7B2%7D%2B2)%5E%7B2%7D%7Ddx%3B%5C%5C%0A%26%20(4)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4x%5E%7B2%7D-9%7D%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(5)%20%5Cint%20%5Csqrt%7B2x%5E%7B2%7D%2B9%7D%20dx%20%3B%20%5C%5C%0A%26(6)%20%5Cint%20%5Csqrt%7B3x%5E%7B2%7D-2%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(7)%20%5Cint%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D%2B5x%2B6%7Ddx%3B%20%5C%5C%0A%26(8)%5Cint%20x%5E%7B2%7D%5Csin4xdx%3B%20%5C%5C%0A%26(9)%5Cint%20x%5E5%5Cln%20xdx%5C%5C%0A%26%20(10)%20%5Cint%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7B2%7D(1-x)%7D%7Ddx.%20%0A%5Cend%7Baligned%7D


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