分部积分法

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分部积分法

2024-07-11 02:03| 来源: 网络整理| 查看: 265

分部积分法

分部积分法是一个特别的积分方法,最适用于积分两个函数的积,但在其他的情况下也会有用。

下面会有很多例子,但我们先来看看法则:

∫u v dx = u∫v dx −∫u' (∫v dx) dx

u 是函数 u(x) v 是函数 v(x)

图:

我们现在看一个例子:

例子:∫x cos(x) dx 是什么?

这是 x 乘以 cos(x),所以应该可以用分部积分法。

我们需要先选择哪个函数为 uv

u = x v = cos(x)

格式和法则里一样了:u v dx

u 的积分:u' = x' = 1

v 的积分:∫v dx = ∫cos(x) dx = sin(x)   (见 积分法则)

放进法则里:

简化,然后解:

x sin(x) − ∫sin(x) dx x sin(x) + cos(x) + C

 

步骤是:

选 u 和 v 求 u 的积分:u' 求 v 的积分:∫v dx 代入 u, u' and ∫v dx 到:u∫v dx −∫u' (∫v dx) dx 简化,然后解

用文字写出来,∫u v dx 是:

(u 积分 v) 减 (u 的倒数,v 的积分)的积分

 

再看几个例子:

例子: ∫ln(x)/x2 dx 是什么?

先选 u 和 v:

u = ln(x) v = 1/x2

求 u 的积分:ln(x)' = 1/x

求 v 的积分:∫1/x2 dx = ∫x-2 dx = −x-1 = -1/x   (基于 幂次方法则)

放进法则里:

简化:

−ln(x)/x − ∫−1/x2 dx = −ln(x)/x − 1/x + C −(ln(x) + 1)/x + C

 

例子:∫ln(x) dx 是什么?

只有一个函数!我们怎样选 u 和 v ?

没问题!我们选 v 为 "1":

u = ln(x) v = 1

求 u 的积分:ln(x)' = 1/x

求 v 的积分:∫1 dx = x

放进法则里:

简化:

x ln(x) − ∫1 dx = x ln(x) − x + C

 

例子: ∫ex x dx 是什么?

选 u 和 v:

u = ex v = x

求 u 的积分:(ex)' = ex

求 v 的积分: ∫x dx = x2/2

放进法则里:

糟了!越来越复杂!

如果我们选不同的 u 和 v 呢?

例子:∫ex x dx (续)

选不同的 u 和 v:

u = x v = ex

求 u 的积分:(x)' = 1

求 v 的积分:∫ex dx = ex

放进法则里:

简化:

x ex − ex + C ex(x−1) + C

故事的寓意是:小心选 uv

选一个微分后比较简单的 u 和积分后不会更复杂的 v

可以用英语字 I LATE 来帮助记忆。按以下次序来选 u

I: (I)nverse 反三角函数,例如 sin-1(x)、cos-1(x)、tan-1(x) L: (L)ogarithmic 对数函数,例如 ln(x)、log(x) A: (A))lgebraic 代数函数,例如 x2、 x3 T: (T)rigonometric 三角函数,例如 sin(x)、cos(x)、tan (x) E: (E)xponential 指数函数,例如 ex、3x

 

最后来看一个(复杂的)例子:

例子:∫ex sin(x) dx

选 u 和 v:

u = sin(x) v = ex

求 u 的积分:sin(x)' = cos(x)

求 v 的积分:∫ex dx = ex

放进法则里:

∫ex sin(x) dx = sin(x) ex -∫cos(x) ex dx

 

乍看更加复杂,但别着急!我们可以来一次分部积分法:

选 u 和 v:

u = cos(x) v = ex

求 u 的积分:cos(x)' = -sin(x)

求 v 的积分:∫ex dx = ex

放进法则里:

∫ex sin(x) dx = sin(x) ex - (cos(x) ex −∫−sin(x) ex dx)

简化:

∫ex sin(x) dx = ex sin(x) - ex cos(x) −∫ ex sin(x)dx

现在每边都有同一个积分……

……把右边的搬到左边:

2∫ex sin(x) dx = ex sin(x) − ex cos(x)

简化:

∫ex sin(x) dx = ex (sin(x) - cos(x)) / 2 + C

 

脚注:"分部积分法" 是从哪里来的?

分部积分法是基于 导数的积法则:

(uv)' = uv' + u'v

求每边的积分,然后重排:

∫(uv)' dx = ∫uv' dx + ∫u'v dx uv = ∫uv' dx + ∫u'v dx ∫uv' dx = uv − ∫u'v dx

有些人喜欢上面这个格式,但我喜欢再求 v 的积分,使得左边简单一点:

∫uv dx = u∫v dx − ∫u'(∫v dx) dx

 

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