分部积分法 |
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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 u 和 v: u = x v = cos(x)格式和法则里一样了:∫u v dx 求 u 的积分:u' = x' = 1 求 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 u 和 v! 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!我们可以再来一次分部积分法: 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积分法则 微积分索引 |
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