分部積分法

分部積分法

分部積分法是微積分學中的一類重要的、基本的計算積分的方法。它是由微分的乘法法則和微積分基本定理推導而來的。它的主要原理是將不易直接求結果的積分形式,轉化為等價的易求出結果的積分形式的。常用的分部積分的根據組成被積函式的基本函式類型,將分部積分的順序整理為口訣:“反對冪三指”。分別代指五類基本函式:反三角函式、對數函式、冪函式、三角函式、指數函式的積分。

基本信息

公式推導

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分部積分法:設 及 是兩個關於 的函式,各自具有連續導數 及 ,且不定積分 存在,按照乘積函式求微分法則,則有 存在,且得 分部積分公式如下

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證明:由

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對上式兩邊求不定積分,即得 分部積分公式,也將其簡寫為

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如果將 和 用微分形式寫出,則亦可得出

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上兩式就把 的積分轉化為 的積分,即將複雜的被積函式簡單化。

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例如,要求 ,則依分部積分法則,令

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如此

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則按上述公式有

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四種典型模式

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一般地,從要求的積分式中將 湊成 是容易的,但通常有原則可依,也就是說不當的分部變換不僅不會使被積分式得到精簡,而且可能會更麻煩。分部積分法最重要之處就在於準確地選取 ,因為一旦 確定,則公式中右邊第二項 中的 也隨之確定,但為了使式子得到精簡,如何選取 則要依 的複雜程度決定,也就是說,選取的 一定要使 比之前的形式更簡單或更有利於求得積分。依照經驗,可以得到下面四種典型的模式。 記憶模式口訣:反(函式)對(數函式)冪(函式)三(角函式)指(數函式)。

模式一

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通過對 求微分後, 中的 比 更加簡潔,而 與 的類型相似或複雜程度相當。

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例如,對於形如 的不定積分(其中 為 次多項式),由於對多項式求微分可以降次,且三角函式或指函式的積分則較容易求得,所以可以令 ,而將另一個函式看成 通過分部求得積分。

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例如

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首先,

對該式第二項再按此模式進行分部積分,得

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故原式

模式二

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通過對 求微分使得它的類型與 的類型相同或相近,然後將它們作為一個統一的函式來處理。例如對形如 等的積分,總是令 ,則 則為一個 次的多項式,另一個函式( 等)看成 。通過分部積分,很容易求出不定積分。

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例如,求

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而該式第二項為

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故原積分式

模式三

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利用有些函式經一次或二次求微分後不變的性質,通過一次或二次分部積分後,使等式右端再次產生 ,只要它的係數不為1,就可以利用解方程的方法求出原積分 。

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例如,對於積分 和

按法則對他們進行分部積分得

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這樣,所求積分均由另一個積分所表示出來,將這兩式相加和相減(即解方程)得到所求積分表達式

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以及

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這兩個通用表達式就可以求出該類型的所有積分式,比如

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模式四

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對某些形如 的不定積分,利用分部積分可降低 的次數,求得遞推公式,然後再次利用遞推公式,求出 。

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例如,對於積分

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當 時,

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當 時,

而該式的第二項又可變換為

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將其帶入上式,則得到

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最後,得到統一的遞推關係式

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定積分

與不定積分的分部積分法一樣,可得

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簡寫為

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例如

示例

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例1

例2

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回代即可得到 的值。

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