当前课程知识点:微积分(先修课) > 第六章 积分法与反常积分 > 6.2 分部积分法 > 6.2.2 分部积分法(2)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第六章
积分法与反常积分
第二节 分部积分法
本讲将介绍定积分的分部积分法
并给出定积分计算中
一个常用的结果
即沃利斯公式
下面我们将介绍定积分的分部积分法
定积分的分部积分法
与不定积分的分部积分法是类似的
我们都是从
两个函数乘积的导数公式出发
也就是我们假设函数
u和v在区间ab上存在连续导数
那么它们两个函数的乘积的导数
就应该等于u的导数乘上v
再加上u乘上v的导数
我们在上面这个等式的两端
从a到b求定积分
利用定积分的加快运算性质
我们就得到了u乘上v
它的导数从a到b的定积分
等于u的导数乘上v
从a到b的定积分
再加上u乘上v的导数从a到b的定积分
我们将这个等式移项就会得到
u的导数乘上u
从a到b的定积分
就等于u乘v在b点的值
减掉a点的值
再减去u乘上v的导数
从a到b的定积分
这个等式就把两个定积分
联系在了一起
我们只要求出其中的一个
那么也就求出了
另外一个定积分的值
这实际上就是我们要介绍的
定积分的分布积分公式
我们把这个结论写成一个定理
这就是定理5
我们假设函数ux和vx在区间ab上
存在连续导数
那么 u的导数乘上v
在a到b上的定积分值
就等于u乘上v在b这里的函数值
减去在a这里的函数值
再减去v乘上v的导数
在a到b区间上的定积分值
这就是我们要介绍的分布积分公式
利用定积分的分布积分公式
求定积分值的方法
我们一般也就称为是
定积分的分部积分法
在利用定积分的分部积分公式
求定积分值时
利用凑微分法
求定积分的情况是类似的
也就是我们要把被积函数
写成两个因子的乘积
其中一个因子可以看作是
另外一个函数的导数
这样我们就可以用分布积分公式
把我们要求的定积分
转化成另外一个被积函数的定积分
在利用这公式时
请大家注意等式的右端
是两部分做差
注意两部分之间正负号的取法
下面我们看几个具体的例子
例1
我们计算自然对数
从1到e的定积分值
在这个定积分中 被积函数
我们可以看作是x的导数乘上lnx
所以我们利用分布积分公式
这个定积分值就等于
x乘上lnx在e点的函数值
减掉1这点的函数值
再减去x不动乘上自然对数的导数
从1到e求定积分
我们求得最后的结果
就等于1
根据定积分的几何域
这个定积分值1在集合上表示的
应该就是对数曲线
y等于lnx与x轴
即x等于1和x等于e
围成的平面图形的面积
实际上也就是图中这个曲边
三角形的面积等于1
下面我们看第二道例题
我们求x乘上1的负x次方
在0到ln2区间上定积分值
这个被积函数的形式
是我们介绍的典型的
可以利用分布积分公式
处理的被积函数类型
我们将1的负x次方
看作是负的1的负x次方的导数
那么我们利用分布积分公式
我们要求的定积分
就可以写成是x乘上负的1的负x次方
在ln2这边的值
减掉在0这点的值
再加上1的负x次方
在0的ln2上的定积分
在这第二项应该是
减去负的1的负x次方不动
再乘上x疏导
最后化简之后
就变成了1的负x方
在0到ln2上的定积分值
对第二个定积分
我们求出它的原函数
是负的1的负x次方
利用牛顿莱布尼兹公式
我们就求得了最后的结果
是2分之1减掉2的自然对数
下面我们看第三道例题
我们求1的根下x次方的
0到1上的定积分值
这个定积分中
被积函数的指数上
带有根下x
我们的困难就是因为指数是根下x
所以我们不知道它的原函数是什么
下面我们首先做一个变量替换
令根下x等t
把根号去掉
那么dx就等于2倍的tdt
而且在x等0时 t等0
在x等1时 t等1
我们利用定积分的换元积分公式
就得到了我们要求的定积分的值
就等于2倍的t乘上1的t次方
在0到1这个区间上的定积分值
对于这个新的定积分
这个被积函数是一个典型的
可以利用分布积分公式
求原函数的函数类型
所以对这个新的定积分
我们将1的t次方看作是
1的t次方的导数
利用分布积分公式
就变成了2倍的t乘上1的t次方
在1点的值减掉0点的值
再减去2倍的1的t次方
从0到1的定积分
最后利用牛顿牛顿莱布尼兹公式
我们求得了最后的定积分值
就等于2
下面我们来看第四道例题
我们求x除上根下1减x方
再乘上arcsinx
在0到2分之1这个区间上的定积分值
在这个定积分中
被积函数我们就写成了
两个因子的乘积
其中一个因子是arcsinx
我们知道当被积函数
带有反三角函数时
我们一般的选择
就是看一看
能不能用分布积分公式
求这样的积分问题
再用分布积分公式时
我们的目的是要对
反三角函数进行求导
换句话说
我们也就是要把另外一个因子
x除上根下1减x方
看作是某一个函数的导数
下面我们看一下
这个因子是哪一个函数的导数
我们知道根下1减x方
关于x求导
就等于负的x除上根下1减x平方
也就是说x除上根下1减x平方
应该就是负的根下1减x平方的导数
我们利用分布积分公式
就把我们要求的这个定积分
转化成了负的根下1减x方
乘上arcsinx
在2分之1这点的值
减掉在0这点的值
再加上根下1减x方
乘上arcsinx的导数
也就是乘上1除上根下1减x方
在0到2分之1这个区间上的定积分值
我们知道正弦等2分之1的角
对应的是6分之π
正弦等0的角
对应的是0
所以我们就求得了最后的定积分值
就等于2分之1减掉12分之根3倍的π
上面我们讨论的四个例题
在这四个例题中
我们处理的都是利用分布积分公式
求具体的定积分值的问题
在处理这类问题时
关键就是我们要熟悉
能够利用分布积分公式
求原函数的函数类型
另外在具体的计算过程中
一定要正确的运用分布积分公式
尤其是需要注意正负号
以及某些项的系数不要出错
下面我们再看几道例题
例5
我们证明1减x的n次方
乘上x的m次方
在0到1上的定积分值
就等于m的阶乘乘上n的阶乘
再除上m加n加1的阶乘
在这我们的m和n是正整数
对于这个问题
因为被积函数
实际上就是一个多项式函数
所以它在0到1上的定积分值
我们是可以利用
牛顿莱布尼兹公式直接求出的
如果我们直接用
牛顿莱布尼兹公式时
我们需要对1减x的n次方做展开
展开之后会有一些综合数出来
这个时候
我们要想把一个比较复杂的
带有综合数的表达式
表示成我们等式的右端
我们需要用到综合数的相关性质
下面我们换一个思路
我们知道这个被积函数
就是两个因子的乘积
而这两个因子
都是幂函数的形式
所以无论是求导还是求原函数
都应该是非常简单的
下面我们就利用分布积分公式
来证明这个等式
我们在被积函数中
我们将x的m次方
看作是m加1分之1
乘上x的m加1次方的导数
我们利用分部积分公式
就把这个定积分值写成了两部分
其中第一部分
这个函数在1这点
和在0这点的值是等于0的
所以第一部分的值
应该是等0的
第二部分
也就是M加1分之1
x的M加1次方不动
再乘上1减x n次方的导数
我们求完导之后
会出现一个n
还有一个负1
而这个负号和分布积分中的负号
正好相乘 变成了加号
这就是我们这个等式中
第二项的来历
这样我们就将原来的定积分值
转化成了n除上m加1
再乘上x的m加1次方
再乘1减x的n减1次方
在0到1上的定积分值
我们利用同样的方法
对这个新的定积分
再用一次分布积分公式
我们就得到了
它就应该等于n除上m加1
乘上括号中两项之和
而括号中的第一项
在1这点的值
和0这点的值都是等0的
所以这样我们就将我们的定积分
转化成了n除上m加1
再乘上n减1除上m加2
再乘上x的m加2次方
乘1减x的n减2次方
在0到1上的定积分值
我们一直这样用下去
最后我们就会得到
我们要求的定积分值
就等于分子上是n乘n减1
一直乘到1
分母上是m加1一直乘到m加n
最后还要乘上x的m加n次方
在0到1上的定积分
最后这个定积分
我们利用牛顿莱布尼兹公式
可以求得它的值是m加n加1分之1
这样我们就可以将
我们要求的这定积分值
写成n的阶乘再除上m加1
一直乘到m加n加1
在这个分式的分子分母
我们通乘m的阶乘
就得到了我们要求的定积分值
分子上是m的阶乘乘上n的阶乘
分母上就是m加n加1的阶乘
这就是我们要证的结果
也就是说我们利用分布积分公式
除了可以求具体的定积分值之外
还可以得到一些
有关的定积分的计算公式
下面我们来看第六道例题
我们假设n是自然数
我们将sin的n次方x
在0到2分之π上的定积分值
记做ln
我们来证明ln的值
在n是偶数时它就等于
分子上是n减1的双阶乘
除上n的双阶乘
再乘上2分之π
如果n是奇数
那么我们ln的值就等于
n减1的双阶乘
除上n的双阶乘
在这双阶乘表示的是
一个个位相乘的运算
比如说4的双阶乘指的是2乘上4
而5的双阶乘
指的是1乘3再乘5
这是双阶乘这个记号
表示的这个值的运算
下面我们来证明这个结论
我们知道当N等0时
我们要求的l0
实际上就是sin的0次方
在0到2分之π上的定积分值
也就等于2分之π
当n等1时
我们要求的定积分值
就是sinx在0到2分之π上的定积分值
我们利用牛顿莱布尼兹公式
求得这个值
应该是等于1的
在n大于等于2时
我们将sin的n次方
看作是sin的n减1次方
再乘上sinx
而第二个因子sinx
我们可以看作是负的cosx的导数
那么我们用分布积分公式
我们要求的定积分值ln
就写成了两部分之和
第一部分大家可以发现
sinn减1次方x乘上cosx
前面有一个负号
这个函数在2分之π
和零点的值都是等0的
所以第一部分的值是等0的
第二部分
我们有一个cos方x
我们将cos方x写成1减sin方x
这样我们进一步就把第二部分
这个定积分
写成了是两个定积分做加减
第一个就是n减1倍的sinn减2次方x
在0到2分之π上的定积分
第二项就是减去n减1倍的sinn次方x
在0到2分之π上的定积分
根据我们ln的定义我们知道
第一部分就等于n减1倍的ln减2
第二部分就变成了
减去n减1倍的ln
这样我们就得到了
ln满足的一个方程
我们对这个方程进行变形
就得到了ln满足的一个递推关系
也就是ln就等于n减1除上n
再乘上ln减2
所以当n是偶数时
我们将n表示成2倍的k
我们就有l2k
就等于2k减1除上2k
再乘上l2k减2
我们不断的用这个递推关系
最后就知道l2k
就等于2k减1的双阶乘
再除上2k的双阶乘
再乘上lo
lo是等2分之π的
这样在n的偶数时
我们就求出了ln的值
类似的当n等于奇数时
我们将n表示成2k加1
那么利用递推关系
我们就知道l2k加1
就等于2k除上2k加1
再乘上l2k减1
我们不断的用这个dt关系
最后就知道
l2k加1的值
就等于2K的双阶乘
再除上2k加1的双阶乘
再乘上l1
l1是等于1的
这样我们就证明了n是奇数时
l1的计算公式
事实上我们可以证明cosn次方x
在0到2分之π上的值
与sinn次方x
在0到2分之π上的定积分值
是相等的
也就是说cosn次方x
在0到2分之π上的定积分值
当n是偶数时
他也等于n减1的双阶乘
除上n的双阶乘
再乘上2分之π
n是奇数时
它就等于n减1的双阶乘
再除上n的双阶乘
在微积分里面
我们这两个定积分值的计算公式
也就称为是所谓的沃利斯公式
当n等于正整数时
我们求这个定积分值时
一般的是直接套用沃利斯公式
进行计算的
最后我们来看一个具体的例子
这就是例7
我们计算cos4次方x
乘上sin平方x
在0到2分之π上的定积分值
我们利用sin方等于1减cos方
减我们要求的这个定积分值
写成是cos4次方
它的定积分减去cos6次方的定积分
我们利用沃利斯公式
我们知道cos4次方
在2到2分之π上的定积分
就等于4分之3
乘上2分之1 再乘2分之π
也就等于16分之3倍的π
而cos6次方x
在0到2分之π上的定积分
同样利用沃利斯公式
我们就求出它的值
就等于6分之5
再乘上16分之3倍的π
这样我们要求的定积分的值
最后的结果是32分之1倍的π
在这一讲中
我们给出了定积分的分部积分公式
这个公式利用函数乘积的导数公式
和牛顿莱布尼兹公式
就可以直接得到
定积分的分部积分公式
将两个不同的定积分
用一个等式联系在一起
既可以用来求
具体函数的定积分值问题
也可以用来讨论
不同定积分之间的关系
研究与定积分有关的理论问题
沃利斯公式
是计算定积分时的一个常用结果
许多定积分求值问题
往往会归结到这种积分的计算问题
换元积分法和分部积分法
是我们这个课程中
要求的基本积分法
下一讲将介绍有理函数的积分
谢谢同学们
下一讲再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试