数学笔记24——分部积分
不是所有被积函数都能解析地写出原函数。对于那些可能写出来的函数,也需要一定的积分技巧才能随心所欲,分部积分正是其中很重要的一种技巧。
基本公式
部分积分演变自积分的乘法法则:
示例1
看起来很难对付,现在尝试用部分积分解决。
令u = lnx,u’ = (lnx)’ = x’/x = 1/x
令v’ = 1,v = x,u’v = 1
示例2
解法1:
令u = (lnx)2,u’ = 2lnx/x
令v’ = 1,v = x,u’v = 2lnx/x
解法2:
令u = lnx,u’ = (lnx)’ = x’/x = 1/x
v’ = lnx,通过示例1得知,v = xlnx – x
u’v = lnx - 1
换算公式
换算公式使用递归的方式运用部分积分公式,最终得到结果。
这与前面的示例类似:
令u = (lnx)n,u’ = n(lnx)n-1/x
令v’ = 1,v = x,u’v = n(lnx)n-1, uv = x (lnx)n
再对后半部分反复使用分部积分,使lnx降次,直到其为0为止。如果用Fn(x)表示(lnx)n的积分,则:
根据该公式:
示例1
令u = xn,u’ = nxn-1
令v’ = ex,v = ex,u’v = nxn-1ex, uv = xnex
示例2
有如下图所示的高脚杯,其侧壁的曲线函数是y = ex,开口宽度为2,手柄高度为1,求高脚杯的容积。
求高脚杯容积
首先将其转换为下图所示的数学模型,容积就是曲线绕y轴旋转一周的体积:
可以使用圆盘法和壳层法计算体积(可参考数学笔记17——定积分的应用2(体积))。
圆盘法:
壳层法:
综合示例
示例1
令u = x,u’ = 1
令v’ = e-x,v = -e-x,u’v = -e-x,uv = -xe-x
示例2
解法1:分部积分
解法2:部分分式
解法3:三角替换,令x = tanθ
注意到解法1和后两种方法的结果不同,但由于 和 的导数相同,所以二者是等同的。
也可以从另一个角度证明,现在回顾一下解法3:
如果替换为sinθd的函数,则:
所以两个结果相等。
实际上两个函数是同族的:
示例3
u = arctanx, u’ = 1/(1 + x2), v’ = 1, v = x
下面是arctanx的求导过程:
y = arctanx, x = tany, 对x = tany两边同时对x求导:
关于反函数的求导,可参考数学笔记4——导数4(反函数的导数)。
示例4
u = lnx, u’ = 1/x, v’ = x-2, v = -1/x。
示例5
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