数学基础 -- 微积分之分部积分法

分部积分法

分部积分法(Integration by Parts)是求解定积分和不定积分的一种重要方法,通常用于积分中包含两个函数的乘积的情况。分部积分法的基本原理来自于微积分中的乘积法则。

分部积分法的公式如下:

∫u dv=u⋅v−∫v du \int u \, dv = u \cdot v - \int v \, du udv=uvvdu

其中:

  • uuu 是一个函数;
  • dvdvdv 是另一个函数的微分;
  • dududuuuu 对自变量的微分;
  • vvv 是对 dvdvdv 积分得到的函数。

分部积分法的步骤

  1. 选择合适的 uuudvdvdv
  2. 计算 dududuvvv
  3. 应用分部积分公式,求解积分。

如何选择 uuudvdvdv

  • 通常将容易微分的函数选为 uuu,容易积分的函数选为 dvdvdv
  • 有时可以借助“LIATE”原则进行选择,优先选为 uuu 的函数类型顺序为:对数函数 (Logarithmic)、反三角函数 (Inverse trigonometric)、代数函数 (Algebraic)、三角函数 (Trigonometric)、指数函数 (Exponential)。

示例

计算 ∫xex dx\int x e^x \, dxxexdx

  1. u=xu = xu=x,则 du=dxdu = dxdu=dx
  2. dv=ex dxdv = e^x \, dxdv=exdx,则 v=exv = e^xv=ex
  3. 应用分部积分公式:

∫xex dx=x⋅ex−∫ex⋅dx=x⋅ex−ex+C \int x e^x \, dx = x \cdot e^x - \int e^x \cdot dx = x \cdot e^x - e^x + C xexdx=xexexdx=xexex+C

最终结果为:

∫xex dx=ex(x−1)+C \int x e^x \, dx = e^x(x - 1) + C xexdx=ex(x1)+C

分部积分法的推导过程

分部积分法的推导过程是基于微积分中的乘积法则。以下是推导的详细步骤:

1. 乘积法则(积的导数公式)

假设 u(x)u(x)u(x)v(x)v(x)v(x) 是两个关于 xxx 的可微函数,那么它们的乘积的导数公式为:

ddx(u(x)⋅v(x))=u(x)⋅ddxv(x)+v(x)⋅ddxu(x) \frac{d}{dx} \left( u(x) \cdot v(x) \right) = u(x) \cdot \frac{d}{dx} v(x) + v(x) \cdot \frac{d}{dx} u(x) dxd(u(x)v(x))=u(x)dxdv(x)+v(x)dxdu(x)

2. 对乘积法则积分

对上述公式两边同时关于 xxx 积分:

∫ddx(u(x)⋅v(x))dx=∫(u(x)⋅ddxv(x)+v(x)⋅ddxu(x))dx \int \frac{d}{dx} \left( u(x) \cdot v(x) \right) dx = \int \left( u(x) \cdot \frac{d}{dx} v(x) + v(x) \cdot \frac{d}{dx} u(x) \right) dx dxd(u(x)v(x))dx=(u(x)dxdv(x)+v(x)dxdu(x))dx

根据积分和导数的关系,左边的积分相当于直接得到 u(x)⋅v(x)u(x) \cdot v(x)u(x)v(x)

u(x)⋅v(x)=∫u(x)⋅ddxv(x) dx+∫v(x)⋅ddxu(x) dx u(x) \cdot v(x) = \int u(x) \cdot \frac{d}{dx} v(x) \, dx + \int v(x) \cdot \frac{d}{dx} u(x) \, dx u(x)v(x)=u(x)dxdv(x)dx+v(x)dxdu(x)dx

3. 移项

将等式中的一个积分移到左边:

∫u(x)⋅ddxv(x) dx=u(x)⋅v(x)−∫v(x)⋅ddxu(x) dx \int u(x) \cdot \frac{d}{dx} v(x) \, dx = u(x) \cdot v(x) - \int v(x) \cdot \frac{d}{dx} u(x) \, dx u(x)dxdv(x)dx=u(x)v(x)v(x)dxdu(x)dx

此时,我们可以将公式稍作改写,设 u(x)=uu(x) = uu(x)=uv(x)=vv(x) = vv(x)=vddxv(x)=dv\frac{d}{dx} v(x) = dvdxdv(x)=dvddxu(x)=du\frac{d}{dx} u(x) = dudxdu(x)=du,那么该公式就成为:

∫u dv=u⋅v−∫v du \int u \, dv = u \cdot v - \int v \, du udv=uvvdu

这就是分部积分法的公式。

推导背后的思想

分部积分法的本质是通过将一个复杂的积分转换为另一个可能更容易计算的积分。它利用了乘积法则的导数形式,从而拆解了积分中的两个函数的乘积。这在处理两个函数的积的积分时非常有用,特别是当其中一个函数的积分比较简单,另一个函数的微分比较简单时。

直观理解

可以直观地将分部积分法看作是“逆乘积法则”,即通过将两个函数的乘积的积分分解成两个部分:一个是乘积,另一个是新函数组合的积分。这一技巧使得处理复杂的积分问题变得更加灵活。

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