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Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

下一节: Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

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Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)课程教案、知识点、字幕

同学们 你们好

欢迎来到mooc在线课程微积分

前面 我们已经学习了

定积分与不定积分

同学们已经尝试了

很多类型问题的积分求解问题

有的同学呢 已经体会到了

如果被积函数

是被两部分乘起来的话

用通常的换元法来求积分

就比较困难 那么该怎么办呢

今天我们要讲一个

专门针对这个问题的方法

就是分部积分法

这个分部积分法呢

就是把这种不容易求的积分问题

转化成容易求的积分问题

好的 下面我们就看一下

什么是分部积分法

Chapter 5 Integrals 积分

Unit 4

Integration by Parts

and Special Techniques

分部积分法与特殊技巧

Section 1

Integration by Parts

分部积分法

好的我们先讲一下

什么是分部积分法

这种方法呢很难用一句话说清楚

需要我们搞清楚

这个方法是怎么来的

我们要考虑两个函数

Let f and g

be differentiable functions

then

我们考虑d of f times g

这就是f乘g的微分

关于微分呢

我们上一章已经研究得很清楚了

按照求导数的法则

它应该等于fdg plus gdf

具体是哪一条求导法则呢

同学们回顾一下

那就是乘法的求导法则

根据这件事情我们能看出什么呢

请看下一步

推出fg equals integration dfg

这是什么意思啊

原来啊这里我们用到了

不定积分的定义

也就是说fg就是微分式

dfg做不定积分的结果

其实啊这里面呢还有一个常数

应该在等式的左边

我们呢先暂时忽略它

好 注意 我们呢把刚才那个式子

也就是

dfg equals f times dg plus gdf

代入就会得到

现在看到的等式

好的 由此呢 我们立刻推出

integration of fdg equals

fg minus integration gdf

这个等式就是我们要的

分部积分的公式

这个公式详细写出来

就是下面这个等式

也就是说

f乘以g一撇这个函数做不定积分

会等于f和g两个函数乘积

再减去f一撇乘以g的不定积分

这个不定积分公式有什么意义呢

它告诉我们f乘以g撇

这种形式的函数做不定积分啊

总是可以转化成

另外一个不定积分的问题

就是f一撇乘以g的不定积分

当然它们之间呢差了一部分

这个就是这个公式所告诉我们的

好的 下面呢我们看一下

具体如何应用这个分部积分公式

我们看具体的例子

Find integration x sine x dx

求出x乘以sine x的不定积分式

同学们 现在这个问题啊

在积分表中是找不到的

没有x乘以sine x的不定积分式

如果我们试图做换元法的话

也是换不出来的

那么我们现在呢看一下

如何使用分部积分

去找到这个问题的答案

请看

by the above equality

就是根据前面的分部积分等式

我们得到

integration x sine x dx

好了这是我们要找的不定积分式

那么它等于什么呢

先把它换一种方式写出来

就是把它写成

x cosine x derivative

的不定积分式

当然呢 中间差了一个负号

这是我们要注意的

写成现在这个样子

就可以套用分部积分公式了

请看 直接写出来

负的x乘以cosine x 再加上

这个加号是因为原来上一个

公式中带了一个负号的原因

再加上integration cosine x

乘以x的导数dx

注意这里我们写的是x导数

不是x的一次方

好的

那么我们可以直接算出来

x prime

x prime就是常数1了

所以呢马上

上面这个式子就等于

负的x乘以cosine x

再加上cosine x的不定积分

就可以了

那么cosine x的不定积分呢

一下子就写出来了

于是我们得到了

原式的不定积分的结果

建议同学们亲自动手验算一下

最后的结果是不是正确的

好的 我们再看一个例子

Find integration of ln x

ln x这个函数的不定积分呢

在基本积分表中呢也是没有的

所以呢 我们也要亲自找一下

我们用的方法呢很简单 请看

ln x的不定积分等于多少呢

先把它转化成

分部积分可以用的样子

就是这里边啊有一个隐藏的式子

就是ln x乘以1

而1呢可以看成x的导数

或者呢直接把ln x看成f

x看成上面那个公式中的g

都可以

总之现在我们使用分部积分公式

它等于x乘以ln x

这里我们就是把

ln x和x看成两个不同的函数

好了 减去第二项

x乘以ln x的导数的不定积分

于是呢 我们可以继续往下算了

it equals to x ln x

minus integration of dx

这是为什么呢

原来啊我们用到了ln x的导数

等于x分之1这件事情

所以上面这个等式呢

就变成了这样

好 到现在呢

它就变成了常数的不定积分

当然一下子

我们就算出了它的结果了

于是ln x的不定积分的结果

如屏幕上所示

同学们最好也验算一下

我们还是需要更多的例子

请看

Find integration of x

times e to the x dx

要找这个式子的不定积分

我们呢还是用同样的方法

把这个要找的不定积分呢

转化成分部积分的样子

怎么看呢 很简单

就是把e的x次方

看成e的x次方的导数

于是我们直接利用分部积分等式

就写成了现在的样子

注意这里边我们取了f等于x

g等于e的x次幂

好的

这样写的结果有什么好处呢

请看

一步呢我们就把它转化成了

一个比较简单的积分式

所以最后的结果

也很容易写出来了

如果不用分部积分的话

这个问题是很难解决的

刚才这几个例子呢已经说明了

在很多时候如果既不能查积分表

也不能用换元法

那么一定要试一试分部积分法

分部积分法呢它会把

一个比较难做的不定积分呢

转化成另外一个

相对容易一些的不定积分

但是啊分部积分法并不是万能的

而且转化的时候要特别小心

该怎么选择f和g

这些呢需要我们去做更多的练习

来熟练地掌握

Section 2

Special Devices

积分技巧

同学们 前面我们已经学习了

使用积分表 换元法 分部积分法

等简单的基本的积分方法

接下来这一小节呢

我给同学们介绍几个

特殊的积分技巧

这些技巧呢之所以特殊

是因为我们要充分利用

这些问题本身的对称性

周期性 奇偶性 递推公式

等特殊性质

好的 我们直接看我们的例题吧

请看

Find the integration of x times sine x

over 1 plus cosine square x

over 0 to pi

注意这是一个定积分的问题

面对这个问题

我们可以尝试一下换元法

也可以尝试一下分部积分法

同学们不妨自己亲自试一下

但是呢我们会发现

问题不会变得更简单

好了下面我们充分利用

这个问题本身的特点

来找出它的答案

请看我们的方法 怎么做呢

令x等于pi减y

也就是说

我们先用一个特殊的换元法

去替代原来定积分中的x

那么会变成怎样呢 请看

Then we have I

我们用I这个特殊的记号啊

表示原来的积分的结果

尽管我们现在还没有找到它

我们先把这个式子的数值呢

先设成I

好了

做刚才所说的换元x等于pi减y

那么这个式子会变成什么呢

按照换元法的规则把它代入

把x换成了pi减y

那么相应的积分函数呢

也会发生变化

相应的积分限也会发生变化

这里呢

我们是整理以后的结果

这里边有一些过程呢

我们没有在屏幕上给同学们

完全展示出来

同学们一定要自己把它

手工地补出来

好的

写成这样会怎样呢 请看下一步

刚才最后一个等式的右边呢

就转化成了

现在我们看到的两个公式

上面最后一个等式呢

现在呢把它分解成下面

我们看到的屏幕上的两个式子

好了

观察现在我们得到的两个式子

这两个式子啊有点像

但是呢最后一项

我们看上去是不是有点眼熟呢

可能有的同学已经看出来了

最后一项尽管是一个

关于y的函数的定积分

但是这个关于y的函数啊

和我们要找的定积分里边

关于x的函数是一模一样的

所以啊

我们直接把这里边的y

就替换成x

那么应该是同样的结果

也就是说现在我们得到了

下面看到的这个等式

上一页的两个等式啊它会等于

负pi积分0到pi

d cosine y

1加上cosine平方分之一

然后呢再减I

这里边我们把第一项呢

也做了恰当的变形

而第二项呢直接用I来替换了

好的

我们接下来继续操作现在的结果

第一项我们注意到

实际上已经可以用换元法了

因为呢它直接可以把

cosine y换成u就行

我们现在呢一步写出来它的结果

就可以了

好 这里边呢有一个tan -1

它表示arctan

我们为了节省空间呢

用tan -1这个符号表示arctan

好的 现在

第一项实际上是可以算出来的

它呢等于二分之一pi平方

第二项呢还是负I

这样的话我们就得到一个等式

就是

I等于二分之一pi平方再减I

于是呢

I一定要等于四分之一pi平方

这就是刚才那个不定积分的结果

so we see

here we have used

the special feature

of the definite integral

that is symmetry 对称性

实际上这里我们用到了

原来那个积分式中的对称性

好的我们再看一个特殊的例子

Find integration from 1 to half a pi

square root sine x

over square root sine x

plus square root cosine x dx

现在我们面临的这个定积分啊

样子非常地复杂

不管我们试图用分部积分法也好

还是用换元法也好

都非常难 难以转化

请看下面我们的特殊技巧

怎么做呢

我们的方法呢实际上

跟前面一道例题所涉及的方法呢

大同小异

我们呢直接告诉同学们

这个技巧就是

x等于二分之pi减y

做这样一个change of variables

也叫substitution 换元法

特殊的换元法

好的 这么做以后 会怎样呢

同学们不妨自己亲自动手试一下

下面呢我们就快速地给同学们

讲一下剩下的流程 请看

做这样的substitution以后呢

我们会得到

I I就表示原来的定积分的结果

尽快我们现在还没有找到它

好了 做替换

就会变成下面的式子

这个最后一行这个式子啊

就是最后的结果

中间呢已经

忽略了几个简单的步骤

同学们自己把它找出来

写成现在这个结果呢 样子呢

会大大地帮助我们简化问题

因为现在这个样子

还可以再走一步

同学们可能看出来了

这里边啊实际上什么都没有换

仅仅是把变量y

变成了另外一个符号x而已

这样的话可能有的同学有疑问了

我现在得到最后一个式子中

还是得不到I啊

您呢先别着急 我们看一下

最后一个式子

和我们原来要找的I有什么关系

可能有的同学呢已经看到了

最后一个式子啊和I很像很像

因为原来呢

分子上是根号下sine x

现在呢是根号下cosine x

既然这两个式子都是I

那么I+I会等于什么呢

我们呢

其中一个 第一个I

用原来的式子

第二个I呢

用我们刚才推出来那个式子

这两个式子一加

就会变成现在的模样

请看 分子分母完全一样

所以它就变成1的定积分啦

当然结果是二分之pi

于是I只能等于四分之pi

这个过程中啊

我们还是充分利用了

原来定积分的对称性

刚才这两个例子呢

我们看出来都是使用了

这个问题本身的对称性

但是啊这个技术呢太特殊了

不是对所有的问题都适用

下面我们要讲的这个例子呢

要利用

这个被积函数的另外一个特点

就是递推性

好我们看一下具体的例子

好我们看一下这个例子

Find an equals integration 0 to 1

x to the nth times e to the x dx

等于多少

这其中啊n是一个正整数

这个问题中啊

如果n比较低的话

比如说n等于0或者n等于1

同学们马上就可以找到它的答案

同学们呢 自己动手试一下

但是对于n等于2 3以上呢

这个问题就没那么简单啦

下面呢我们就用递推的方法

来找出an的一般表达式

请看我们的方法

an is the integration of x to the n

times e to the x

这是我们的定义式

我们要想办法把它降幂

也就是其中的x n次方呢

把它降幂 怎么降呢

用分部积分的方法 很简单

把e的x次幂

可以吸收到d的后面

这就是利用了一个微分式的定义

它变成了x的n次幂

乘以d e to the x

这样一个式子的定积分

现在呢我们就可以用

分部积分的方法啦

前面我们学习的是

不定积分的分部积分

对于定积分的分部积分呢

我们虽然没有单独讲过

但是呢它和不定积分的

分部积分呢是完全一样的

只是等式的两边呢

要同时加上上下限

好了我们看一下

根据现在的这个形式呢

我们只用分部积分

也就是两边换成

不定积分的分部积分的公式之后

再加上上下限

这个加上下限的地方呢

有的地方表示代入

有的地方呢还是定积分

好我们看第一项

就是要求先代入x等于1

再代入x等于0

两者做差

好 那么第一项的结果呢

直接可以算出来 它就是1

第二项呢还可以把x的n次幂呢

做微分以后的结果算出来

就是n乘以x的n-1次幂

乘以e的x的定积分

在0 1区间上

现在我们已经看到

原式中的x n次幂呢

已经变成了新的等式最右端

x的n-1次幂

所以呢n降次了

于是呢

我们就可以使用递推的方法啦

好进一步观察这个式子就等于

e减去n乘以a n-1

也就是说我们得到了

an的一个递推关系

通过这个递推关系啊

我们就可以把an找出来了

怎么找呢

我们要再使用进一步的技巧

就是 两边同乘以-1的n次方

除以n的阶乘

so by factoring -1 to the n

over n factorial

to both side of the equation we get

这样一个等式

好 这个等式有什么好处呢

原来啊这里边

出现了两个同类的项

请看这个等式的左边是

-1的n次幂乘以an

除以n的阶乘

右边的第一项呢是

-1的n-1次幂乘以a n-1

除以n-1的阶乘

于是呢

这种类型的数呢

就有一个递推关系了

这个递推关系就告诉我们

-1的n次方乘以an除以n的阶乘

这个数是一个等差数列

于是呢我们直接可以把第n项

给写出来了 请看

第n项 -1的n次方an

除以n的阶乘呢

它就会等于

第0项

实际上这里边呢

我们省略了-1的0次方

除以0的阶乘这个系数

它就是1

好 再加上每两项的差

现在我们看到的

就是这样一个求和式

它表示每两项的差

于是这就是-1的n次方

乘以an除以n的阶乘的结果

于是呢我们就马上推出了

an的表达式了

好 这就是结果

an equals -1 to the nth

times n factorial

plus summation of something

好的这样我们就得到

an的通解表达式了

这个方法呢很深刻

我们充分利用了

这个被积函数的特点

还使用了分部积分的技巧

同学们 以上就是这一讲的全部内容

在这一讲中呢 我们重点学习了

分部积分法 这种方法呢

可以把一些不容易求的积分问题

转化成容易求的积分问题

另外呢 我们学习了一些

特殊的积分技巧

比如利用函数的对称性

递推性等等

所以呢 这一讲的内容

技巧性比较强

希望同学们在课后要多多练习

总结经验

熟练地运用这些方法和技巧

下节课 我们要学习

有理分式函数的积分

以及有理三角函数的积分

希望同学们提前预习一下

好的 同学们 我们下节课再见

微积分-1课程列表:

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (first part)

-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)

--Review of Real Numbers (回顾实数)

--Exercise1-1

-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exercise 1-2

-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Exercise-1-3

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (second part)

-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Exercises-1-4

-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Exercise-1-5

-章节测验1

--章节测试1

Chapter 2 Sequence 数列 (first part)

-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)

--Limit of a Sequence (数列的极限)

--Exercises-2-1

-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Exercises-2-2

-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Exercises-2-3

Chapter 2 Sequence 数列 (second part)

-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Exercises-2-4

-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Exercises-2-5

-章节测验2

--章节测试2

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(first part)

-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)

--Functions and Graphs (函数与图像)

--Exercises-3-1

-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三

-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)

--Exercises-3-2

-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)

--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)

--Exercises-3-3

-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Exercises-3-4

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(second part)

-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)

--Limits of Functions(函数的极限)

--Exercises-3-5

-Unit 6 Infinity (无穷)

--Infinity (无穷)

--Exercises-3-6

-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Exercises-3-7

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性 (last part)

-Unit 8 Continuities (连续性)

--Continuity (连续性)

--Exercises-3-8

-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Exercises-3-9

-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Exercises-3-10

-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Exercises-3-11

-章节测验3

--章节测试 3

Chapter 4 Derivatives 导数 (first part)

-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)

--Basics of Derivatives (导数的基本定义)

--Exercise-4-1

-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与

--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)

--Exercise-4-2

-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Exercise-4-3

Chapter 4 Derivatives 导数 (second part)

-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Exercise-4-4

-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Exercise-4-5

-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)

-- L'Hospital's Rules (洛必达法则)

--Exercise-4-6

Chapter 4 Derivatives 导数 (last part)

-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)

--The Taylor Formula (泰勒公式)

--Exercise-4-8

-章节测验 4

--章节测试4

Chapter 5 Integrals 积分(first part)

-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

- Exercise 5-1

-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Exercise-5-2

-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Exercise-5-3

-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Exercise-5-4

Chapter 5 Integrals 积分(second part)

-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

--Exercise-5-5

-Unit 6 Arc Length(弧长)

--Arc Length(弧长)

--Exercise-5-6

-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)

--Areas and Volumes(面积与体积)

--Exercise-5-7

-章节测验5

--章节测试5

课程讲义

-课程讲义

Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)笔记与讨论

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