不定积分形式待定法

不定积分形式待定法

定理

情况一:

对于 ∫f(x)g2(x)\ddx 型,存在 h(x) ,使得

∫f(x)g2(x)\ddx=h(x)g(x)+C

其中 f(x)=h′(x)g(x)−h(x)g′(x) , h(x) 要通过具体的等式结构另求出.

情况二:

对于 ∫f(x)eg(x)\ddx 型,存在 h(x) ,使得

∫f(x)eg(x)\ddx=h(x)eg(x)+C

其中 f(x)=h′(x)+h(x)g′(x) ,同样 h(x) 要通过具体的等式结构另求出.

例题 1

求不定积分 ∫e−sin⁡x⋅sin⁡2x(1−sin⁡x)2\ddx.

解答

令 f(x)=e−sin⁡x⋅sin⁡2x, g(x)=1−sin⁡x ,由

f(x)=h′(x)g(x)−h(x)g′(x)=h′(x)−h′(x)sin⁡x+h(x)cos⁡x

设 h(x)=Ae−sin⁡x ,那么 h′(x)=−Acos⁡xe−sin⁡x ,所以

h′(x)−h′(x)sin⁡x+h(x)cos⁡x=Asin⁡xcos⁡xe−sin⁡x=A2sin⁡2xe−sin⁡x=e−sin⁡xsin⁡2x

解得 A=2 ,所以 h(x)=2e−sin⁡x.

原式=∫2sin⁡xcos⁡xe−sin⁡x(1−sin⁡x)2\ddx=∫2e−sin⁡x(−cos⁡x)(1−sin⁡x)+2cos⁡xe−sin⁡x(1−sin⁡x)2\ddx=∫h′(x)(1−sin⁡x)−(1−sin⁡x)′h(x)(1−sin⁡x)2\ddx=∫\dd(h(x)1−sin⁡x)=2e−sin⁡x1−sin⁡x+C.

例题 2

∫x2\ddx(xsin⁡x+cos⁡x)2.

解答:法一

注意到 1=sin2⁡x+cos2⁡x ,所以

原式=∫x2(sin2⁡x+cos2⁡x)\ddx(xsin⁡x+cos⁡x)2=∫x2cos2⁡x−xsin⁡xcos⁡x(xsin⁡x+cos⁡x)2\ddx+∫x2sin2⁡x+xsin⁡xcos⁡x(xsin⁡x+cos⁡x)2\ddx=∫xcos⁡x(xcos⁡x−sin⁡x)(xsin⁡x+cos⁡x)2\ddx+∫xsin⁡x\ddxxsin⁡x+cos⁡x=∫(sin⁡x−xcos⁡x)\dd(1xsin⁡x+cos⁡x)+∫xsin⁡xdxxsin⁡x+cos⁡x=sin⁡x−xcos⁡xxsin⁡x+cos⁡x−∫xsin⁡x\ddxxsin⁡x+cos⁡x+∫xsin⁡x\ddxxsin⁡x+cos⁡x=sin⁡x−xcos⁡xxsin⁡x+cos⁡x+C.

解答:法二

令 f(x)=x2, g(x)=xsin⁡x+cos⁡x ,由

f(x)=h′(x)g(x)−h(x)g′(x)=h′(x)(xsin⁡x+cos⁡x)−h(x)xcos⁡x=x2=x2(sin2⁡x+cos2⁡x)

设 h(x)=Axasin⁡x+Bxbcos⁡x ,那么 h′(x)=Aaxa−1sin⁡x+Axacos⁡x+Bbxb−1cos⁡x−Bxbsin⁡x ,
代入上式,对比系数得 A=1,a=0,B=−1,b=1 ,于是 h(x)=sin⁡x−xcos⁡x ,

原式=∫x2sin2⁡x+x2cos2⁡x(xsin⁡x+cos⁡x)2\ddx=∫xsin⁡x(xsin⁡x+cos⁡x)−xcos⁡x(sin⁡x−xcos⁡x)(xsin⁡x+cos⁡x)2\ddx=∫h′(x)(xsin⁡x+cos⁡x)−h(x)⋅(xsin⁡x+cos⁡x)′(xsin⁡x+cos⁡x)2\ddx=∫\dd(h(x)xsin⁡x+cos⁡x)=sin⁡x−xcos⁡xxsin⁡x+cos⁡x+C.

例题 3

∫x2+6(xcos⁡x−3sin⁡x)2\ddx.

解答:法一

令 f(x)=x2+6, g(x)=xcos⁡x−3sin⁡x ,由

f(x)=h′(x)g(x)−h(x)g′(x)=h′(x)(xcos⁡x−3sin⁡x)+h(x)(xsin⁡x+2cos⁡x)(x2+6)\qty(sin2⁡x+cos2⁡x)=h′(x)(xcos⁡x−3sin⁡x)+h(x)(xsin⁡x+2cos⁡x)

可知, h(x) 中存在 xsin⁡x 项和 3cos⁡x ; h′(x) 中存在 xcos⁡x 项和 −2sin⁡x ,于是不妨取
h(x)=xsin⁡x+3cos⁡x ,
故原积分等于 xsin⁡x+3cos⁡xxcos⁡x−3sin⁡x+C ,经检验该函数是原积分的原函数.

解答:法二

运用 sin2⁡x+cos2⁡x=1 ,则有

I=∫\qty(x2+6)\qty(sin2⁡x+cos2⁡x)(xcos⁡x−3sin⁡x)2\ddx=∫|x3−2x||cos⁡xsin⁡x−sin⁡xcos⁡x|\ddx(xcos⁡x−3sin⁡x)2=∫|xcos⁡x−3sin⁡xxsin⁡x+3cos⁡x−2cos⁡x−xsin⁡x−2sin⁡x+xcos⁡x|\ddx(xcos⁡x−3sin⁡x)2=∫−2sin⁡x+xcos⁡xxcos⁡x−3sin⁡x\ddx+∫(xsin⁡x+3cos⁡x)(2cos⁡x+sin⁡x)(xcos⁡x−3sin⁡x)2\ddx

注意到 \dvx(xcos⁡x−3sin⁡x)=−(2cos⁡x+xsin⁡x) ,故可对上式第二个积分利用分部积分公式,得

I1=∫(xsin⁡x+3cos⁡x)(2cos⁡x+sin⁡x)(xcos⁡x−3sin⁡x)2\ddx=∫(xsin⁡x+3cos⁡x)\dd(1xcos⁡x−3sin⁡x)=xsin⁡x+3cos⁡xxcos⁡x−3sin⁡x−∫\dd(xsin⁡x+3cos⁡x)xcos⁡x−3sin⁡x=xsin⁡x+3cos⁡xxcos⁡x−3sin⁡x−∫xcos⁡x−2sin⁡xxcos⁡x−3sin⁡x\ddx

所以 I=∫xcos⁡x−2sin⁡xxcos⁡x−3sin⁡x+I1=xsin⁡x+3cos⁡xxcos⁡x−3sin⁡x+C.