当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 5 Integrals 积分(first part) > 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)
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
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--Exercise-4-8
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--章节测试4
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-- 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
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-- 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
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--Exercise-5-6
-Unit 7 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
