8.2 习题课讲解

8.2.1 有理函数的不定积分

例 8.2.1 计算以下不定积分:

(1)

∫1−x21+x2dx

(2)

∫x3−x2dx

(3)

∫2x+1x2+x+1dx

(4)

∫xx2+x−6dx

(5)

∫x21+x6dx

(6)

∫x−1x2−4x+8dx

(7)

∫1(x+1)(x+2)dx

(8)

∫1x(1+x2)dx

(9)

∫x3+1x3−5x2+6xdx

(10)

∫1x4−1dx

(11)

∫x4x4+5x2+4dx

(12)

∫11+x3dx

(13)

∫x7(1−x2)5dx

(14)

∫1x4(2x2−1)dx

(15)

∫1x(xn+a)dx

解 (1) 线性、观察原函数 (1)∫1−x21+x2dx=∫21+x2dx−∫dx=2arctan⁡x−x+C

(2) 凑微分 (2)∫x3−x2dx=12∫13−x2d(x2−3)=−12ln⁡|x2−3|+C

(3) 凑微分 (3)∫2x+1x2+x+1dx=∫1x2+x+1d(x2+x+1)=ln⁡|x2+x+1|+C

(4) 最简因式分解 (4)∫xx2+x−6dx=15∫(3x−3+2x+2)dx=35ln⁡|x−3|+25ln⁡|x+2|+C

(5) 凑微分 (5)∫x21+x6dx=13∫1(x3)2+1dx3=13arctan⁡x3+C

(6) 线性、换元 (6)∫x−1x2−4x+8dx=∫x−2(x−2)2+4dx+∫1(x−2)2+4dx=12∫1udu+12∫1v2+1dv,u=(x−2)2+4,v=x−22=12ln⁡|x2−4x+8|+arctan⁡x−22+C

(7) 最简分式分解 (7)∫1(x+1)(x+2)dx=∫(1x+1−1x+2)dx=ln⁡|x+1x+2|+C

(8) 凑微分、线性 (8)∫1x(1+x2)dx=12∫1x2(1+x2)dx2=ln⁡|x|−12ln⁡(1+x2)+C

(9) 设(9)5x2−6x+1=A(x−2)(x−3)+Bx(x−3)+Ex(x−2) 则(10)∫x3+1x3−5x2+6xdx=∫[1+5x2−6x+1x(x−2)(x−3)]dx=x+∫(Ax+Bx−2+Ex−3)dx 两边取 x=0,得到 A=16;取 x=2,得到 B=−92;取 x=3,得到 E=283。故(11)∫x3+1x3−5x2+6xdx=x+16ln⁡|x|−92ln⁡|x−2|+283ln⁡|x−3|+C

(10) 最简分式:设(12)1=A(x+1)(x2+1)+B(x−1)(x2+1)+E(x2−1) 则(13)∫1x4−1dx=∫(Ax−1+Bx+1+Ex2+1)dx 取 x=i,得到 E=−12;取 x=1,得到 A=14;取 x=−1,得到 B=−14 或由偶函数知 B=−A。故(14)∫1x4−1dx=14ln⁡|x−1x+1|−12arctan⁡x+C

(11) 设(15)x4=(x2+1)(x2+4)+A(x2+4)+B(x2+1) 则(16)∫x4x4+5x2+4dx=∫(1+Ax2+1+Bx2+4)dx 取 x=i 得到 A=13;取 x=2i 得到 B=−163。故(17)∫x4x4+5x2+4dx=x+13arctan⁡x−83arctan⁡x2+C

(12) 设(18)1=A(x2−x+1)+[B(x−12)+E](x+1) 则(19)∫1x3+1dx=∫[Ax+1+B(x−12)+E(x−12)2+34]dx 取 x=−1 得到 A=13;比较 x2 的系数得到 B=−A=−13;取 x=0 得到 E=12。故(20)∫1x3+1dx=13ln⁡|x+1|−16ln⁡(x2−x+1)+13arctan⁡2x−13+C

(13) (21)∫x7(1−x2)5dx=−12∫(1−y)3y5dy,y=1−x2=4x6−6x4+4x2−18(x2−1)4+C

(14) 设(22)1=(Ax2+B)(2x2−1)+Ex4(2x+1)+Fx4(2x−1) 则(23)∫1x4(2x2−1)dx=∫(Ax2+Bx4+E2x−1+F2x+1)dx 取 x=0 得到 B=−1;取 x=12 得到E=2;取 x=−12 得到,F=−2(或由偶函数知 F=−E)。求二阶导可得并代入x=0可得(24)0=2A(2x2−1)+4(Ax2+B)=−2A+4B⟹A=2B=−2

故(25)∫1x4(2x2−1)dx=2x+13x3+2ln⁡|2x−12x+1|+C

(15) (26)∫1x(xn+a)dx=∫xn−1xn(xn+a)dx=1n∫dyy(y+a),y=xn=1naln⁡|xnxn+a|+C ◻

8.2.2 三角函数的不定积分

例 8.2.2 计算以下不定积分:

(1)

∫(1−2cot2⁡x)dx

(2)

∫tan⁡xdx

(3)

∫sec2⁡x1+tan⁡xdx

(4)

∫cos2⁡(1−2x)dx

(5)

∫cos3⁡xdx

(6)

∫sin⁡αxcos⁡βxdx

(7)

∫tan4⁡xdx

(8)

∫1+cos⁡xdx

(9)

∫sin⁡2x1+sin4⁡xdx

(10)

∫sin4⁡xcos3⁡xdx

(11)

∫1sin⁡xcos4⁡xdx

(12)

∫sin2⁡x1+sin2⁡xdx

(13)

∫1+tan⁡xsin⁡2xdx

(14)

∫1−tan⁡x1+tan⁡xdx

(15)

∫1(2+cos⁡x)sin⁡xdx

(16)

∫sin⁡xsin⁡x+cos⁡xdx

(17)

∫15+4sin⁡xdx

(18)

∫cos⁡xsin⁡x+cos⁡xdx

(19)

∫sin⁡xcos3⁡x1+cos2⁡xdx

(20)

∫1+cos⁡xsin⁡xdx,x∈(0,π)

(21)

∫1+csc⁡xdx

解 情况一:利用三角函数二倍角公式、积化和差等降次,用三角函数的平方关系化简。

(4) (27)∫cos2⁡(1−2x)dx=∫cos⁡(2−4x)+12dx=12x−18sin⁡(2−4x)+C

(6) 设α2≠β2,则(28)∫sin⁡αxcos⁡βxdx=∫sin⁡(α+β)x+sin⁡(α−β)x2dx=−cos⁡(α+β)x2(α+β)−cos⁡(α−β)x2(α−β)+C

(8) 设x∈[−π,π],则(29)∫1+cos⁡xdx=∫2cos2⁡x2dx=22∫cos⁡x2dx2=22sin⁡x2+C

情况二:∫f(tan⁡x)dx,t=tan⁡x。

(1) (30)∫(1−2cot2⁡x)dx=∫(1−2t2)dt1+t2=3x+2cot⁡x+C

(2) (31)∫tan⁡xdx=∫tdt1+t2=12ln⁡(1+tan2⁡x)+C

(2') (32)∫tan⁡xdx=−∫−sin⁡xdxcos⁡x=−ln⁡|cos⁡x|+C∫tan⁡xdx=∫sec⁡xtan⁡xdxsec⁡x=ln⁡|sec⁡x|+C

(3) (33)∫sec2⁡x1+tan⁡xdx=∫11+td(t+1)=21+tan⁡x+C

(7) (34)∫tan4⁡xdx=∫t4dt1+t2=x−tan⁡x+13tan3⁡x+C

(12) (35)∫sin2⁡x1+sin2⁡xdx=∫sin2⁡x2sin2⁡x+cos2⁡xdx=∫t22t2+1dt1+t2=x−12arctan⁡(2tan⁡x)+C

(13) (36)∫1+tan⁡xsin⁡2xdx=∫1+tan⁡x2tan⁡xdtan⁡x=∫1+t2tdt=12tan⁡x+12ln⁡|tan⁡x|+C

(14) (37)∫1−tan⁡x1+tan⁡xdx=∫1−t1+tdt1+t2=ln⁡|cos⁡x|+ln⁡|1+tan⁡x|+C

(14') (38)∫1−tan⁡x1+tan⁡xdx=∫cos⁡x−sin⁡xsin⁡x+cos⁡xdx=ln⁡|sin⁡x+cos⁡x|+C

(16) (39)∫cos⁡xsin⁡x+cos⁡xdx=∫1tan⁡x+1dx=∫11+tdt1+t2=x2+12ln⁡|sin⁡x+cos⁡x|+C

(18) (40)∫sin⁡xsin⁡x+cos⁡xdx=∫tan⁡xtan⁡x+1dx=∫t1+tdt1+t2=x2−12ln⁡|sin⁡x+cos⁡x|+C

(16') (18') (41)(16)−(18)=∫cos⁡x−sin⁡xsin⁡x+cos⁡xdx=ln⁡|sin⁡x+cos⁡x|+C(16)+(18)=∫dx=x+C

情况三:∫f(sin⁡x)cos⁡xdx,∫f(cos⁡x)sin⁡xdx。

(5) (42)∫cos3⁡xdx=∫(1−sin2⁡x)dsin⁡x=sin⁡x−13sin3⁡x+C

(9) 令t=sin⁡x,则(43)∫sin⁡2x1+sin4⁡xdx=∫d(t2)1+t4=arctan⁡(sin2⁡x)+C

(10) 令t=sin⁡x,则(44)∫sin4⁡xcos3⁡xdx=∫sin4⁡xcos4⁡xdsin⁡x=∫t4(1−t2)2dt=34ln⁡1−sin⁡x1+sin⁡x+32sec⁡xtan⁡x−sin⁡xtan2⁡x+C

(11) 令t=cos⁡x,则(45)∫1sin⁡xcos4⁡xdx=−∫dcos⁡xsin2⁡xcos4⁡x=∫−1(1−t2)t4dt=ln⁡|tan⁡x2|+sec⁡x+13sec3⁡x+C

(15) 令t=cos⁡x,则(46)∫1(2+cos⁡x)sin⁡xdx=−∫dt(2+t)(1−t2)=16ln⁡(1−cos⁡x)(2+cos⁡x)2(1+cos⁡x)3+C

(19) 令t=cos⁡x,则(47)∫sin⁡xcos3⁡x1+cos2⁡xdx=−∫t31+t2dt=−14cos⁡2x+12ln⁡(3+cos⁡2x)+C

(20) 令t=cos⁡x,则(48)∫1+cos⁡xsin⁡xdx=−∫1+t1−t2dt=2ln⁡|tan⁡x4|+C

情况四:万能公式。令t=tan⁡x2,则cos⁡x=1−t21+t2,sin⁡x=2t1+t2。

(17) (49)∫15+4sin⁡xdx=∫15+42t1+t2d(2arctan⁡t)=∫25+5t2+8tdt=23arctan⁡4+5tan⁡x23+C

(21) (50)∫1+csc⁡xdx=∫1+1+t22td(2arctan⁡t)=∫t+12t21+t2dt=−2arctan⁡cot⁡x1+csc⁡x+C ◻

8.2.3 无理式的不定积分

例 8.2.3 计算以下不定积分:

(1)

∫x2a2+x2dx

(2)

∫x2−4xdx

(3)

∫1xa2−x2dx

(4)

∫1x2x2−1dx

(5)

∫2x−14x2+4x+5dx

(6)

∫x23+2x−x2dx

(7)

∫1x(x+x3)dx

(8)

∫x+1−x−1x+1+x−1dx

(9)

∫xx+2dx

(10)

∫x21−x2dx

(11)

∫xx4+2x2−1dx

(12)

∫x1+x1−xdx

(13)

∫a−xx−bdx

(14)

∫1−x+x21+x−x2dx

(15)

∫1(a2−x2)3dx

解 (1) 解法一:三角换元x=atan⁡t。设(51)u2=A(1−u)(1+u)2+A(1+u)(1−u)2+B(1+u)2+B(1−u)2 则(52)∫x2a2+x2dx=∫a2tan2⁡tacos⁡tacos2⁡tdt=a2∫sin2⁡t(1−sin2⁡t)2dsin⁡t=a2∫[A1−u+A1+u+B(1−u)2+B(1+u)2]du,u=sin⁡t 取 u=1 得到 B=14,取 u=0 得到 A=−B=−14,所以(53)∫x2a2+x2dx=a24ln⁡1−u1+u+a22u1−u2+C=a24ln⁡1−sin⁡t1+sin⁡t+a22sin⁡tcos2⁡t+C=a24ln⁡x2+a2−xx2+a2+x+12xx2+a2+C=12xa2+x2+a22ln⁡(a2+x2−x)+C

解法二:双曲函数换元x=asinh⁡t,则(54)xa+1+x2a2=et,1+x2a2−xa=e−t 故有(55)∫x2a2+x2dx=∫a2sinh2⁡tacosh⁡tacosh⁡tdt=a2∫(et−e−t2)2dt=a24∫(e2t+e−2t−2)dt=a24[e2t−e−2t2−2t]+C 其中(56)e2t−e−2t=(xa+1+x2a2)2−(1+x2a2−xa)2=2a2xx2+a2 (57)−t=ln⁡(x2+a2−x)−ln⁡a

解法三:双曲有理换元x=2at1−t2,则(58)t=−a+a2+x2x,a2+x2=a2+4a2t2(1−t2)2=a1+t21−t2 故有(59)∫x2a2+x2dx=∫4a2t2(1−t2)2⋅1−t2a(1+t2)d2at1−t2=8a2∫t2(1−t2)3dt

(2) 令t=x2−4,则(60)∫x2−4xdx=12∫x2−4x2dx2=12∫tt2+4d(t2+4)=x2−4−2arctan⁡x2−42+C

(3) 令t=a2−x2,则(61)∫1xa2−x2dx=12∫d(a2−t2)(a2−t2)t=12aln⁡a−a2−x2a+a2−x2+C

(4) 解法一:三角换元x=sec⁡t,0≤t≤π且t≠π2,则(62)∫1x2x2−1dx=∫cos2⁡ttan⁡td1cos⁡t=∫cos⁡tdt=sin⁡t+C=1−1x2+C

解法二:双曲换元 x=cosh⁡t,则(63)∫1cosh2⁡tsinh⁡tdcosh⁡t=∫1cosh2⁡tdt=∫4e2t+e−2t+2dt=∫2u2+2u+1du,u=e2t=−2u+1+C

(5) (64)∫2x−14x2+4x+5dx=124x2+4x+5+ln⁡(4x2+4x+5−2x−1)+C

(6) (65)∫x2−x2+2x+3dx=−12(x+3)−x2+2x+3−6tan−1⁡−x2+2x+3x+1+C

(7) (66)∫1x(x3+x)dx=6ln⁡(x6+1)+C

(8) (67)∫x+1−x−1x−1+x+1dx=12[x2−x−1x+1x−2log⁡(x−1−x+1)−1]+C

(9) (68)∫xx+2dx=215(x+2)3/2(3x−4)+C

(10) (69)∫x21−x2dx=18[x1−x2(2x2−1)−2tan−1⁡1−x2x+1]+C

(11) (70)∫xx4+2x2−1dx=14(x2+1)x4+2x2−1−tanh−1⁡x4+2x2−1x2+2+1+C

(12) (71)∫xx+11−xdx=12x+11−x(x2+x−2)−2tan−1⁡x+12−1−x+C

(13) (72)∫a−xx−bdx=(a−x)(x−b)+(a−b)tan−1⁡x−ba−x+C

(14) (73)∫x2−x+1−x2+x+1dx=14[(1−2x)−x2+x+1+11tan−1⁡x−x2+x+1−1]+C

(15) (74)∫1(a2−x2)3dx=xa2a2−x2+C ◻

8.2.4 换元法和分部积分

例 8.2.4 计算以下不定积分:

(1)

∫1(1+x2)arctan⁡xdx

(2)

∫1x2sinh⁡1xdx

(3)

∫xsec2⁡(1−x2)dx

(4)

∫x1+x2sin⁡1+x2dx

(5)

∫arcsin⁡x1−x2dx

(6)

∫2x4−4x+1dx

(7)

∫ex1+e2xdx

(8)

∫tanh⁡xdx

(9)

∫1xln⁡xln⁡ln⁡xdx

(10)

∫1−ln⁡xxdx

解 (1) (75)∫1(1+x2)arctan⁡xdx=∫1arctan⁡xdarctan⁡x=ln⁡arctan⁡x+C

(2) (76)∫1x2sinh⁡1xdx=−∫dcosh⁡1x=−cosh⁡1x+C

(3) (77)∫xsec2⁡(1−x2)dx=−12∫sec2⁡udu=tan⁡(1−x2)+C

(4) (78)∫x1+x2sin⁡1+x2dx=−cos⁡1+x2+C

(5) (79)∫arcsin⁡x1−x2dx=23(arcsin⁡x)32+C

(6) (80)∫2x4−4x+1dx=12∫u1−u2dln⁡uln⁡2=122ln⁡arcsin⁡(2x)+C

(7) (81)∫ex1+e2xdx=arctan⁡(ex)+C

(8) (82)∫tanh⁡xdx=∫dcosh⁡xcosh⁡x=ln⁡cosh⁡x+C

(9) (83)∫1xln⁡xln⁡ln⁡xdx=∫1ln⁡xln⁡ln⁡xdln⁡x=ln⁡ln⁡ln⁡x+C

(10) (84)∫1−ln⁡xxdx=−23(1−ln⁡x)32+C ◻

例 8.2.5 计算以下不定积分:

(1)

∫xcos⁡2xdx

(2)

∫xe−3xdx

(3)

∫x2sin2⁡xdx

(4)

∫xarctan⁡xdx

(5)

∫xln⁡(x−1)dx

(6)

∫ln⁡(x+1+x2)dx

(7)

∫arccos2⁡xdx

(8)

∫xtan2⁡xdx

(9)

∫xsin2⁡xdx

(10)

∫exsin2⁡xdx

(11)

∫arcsin⁡exexdx

(12)

∫sin⁡(ln⁡x)dx

解 (1) (85)∫xcos⁡2xdx=(A1x+A2)cos⁡2x+(B1x+B2)sin⁡2x+C 两边求导得到(86)xcos⁡2x=A1cos⁡2x−2(A1x+A2)sin⁡2x+B1sin⁡2x+2(B1x+B2)cos⁡2x 比较系数得到(87)B1=12,A1=0,B2=0,A2=14 因此(88)∫xcos⁡2xdx=12xsin⁡2x+14cos⁡2x+C

(2) (89)∫xe−3xdx=(Ax+B)e−3x+C 两边求导得到(90)xe−3x=e−3x(−3Ax−3B+A) 比较系数得到(91)A=−13,B=−19 所以(92)∫xe−3xdx=−3x+19e−3x+C

(3) (93)∫x2sin2⁡xdx=∫x2(1−cos⁡2x)2dx=x36+(A1x2+A2x+A3)cos⁡2x+(B1x2+B2x+B3)sin⁡2x+C 求导得(94)x21−cos⁡2x2=x22+(2A1x+A2+2B1x2+2B2x+2B3)cos⁡2x+(−2A1x2−2A2x−2A3+2B1x+B2)sin⁡2x 比较系数得到(95)B1=A2=−14,B3=18A1=B2=A3=0 因此(96)∫x2sin2⁡xdx=x36−14xcos⁡2x+(−14x2+18)sin⁡2x+C

(4) (97)∫xarctan⁡xdx=x2arctan⁡x2−∫x22(1+x2)dx=x2arctan⁡x2−x2+12arctan⁡x+C

(5) (98)∫xln⁡(x−1)dx=x2ln⁡(x−1)2−∫x22(x−1)dx

(6) 令x=et−e−t2=sinh⁡t,则(99)∫ln⁡(x+1+x2)dx=∫ln⁡(et−e−t2+et+e−t2)det−e−t2=∫tdsinh⁡t=tsinh⁡t−cosh⁡t+C=xln⁡(x+1+x2)−1+x2+C

(7) (100)∫(arccos⁡x)2dx=∫t2dcos⁡t=(A1t2+A2t+A3)cos⁡t+(B1t2+B2t+B3)sin⁡t+C 求导得(101)−t2sin⁡t=(2A1t+A2+B1t2+B2t+B3)cos⁡t+(2B1t+B2−A1t2−A2t−A3)sin⁡t 比较系数得到(102)B1=A2=B3=0,A1=1,B2=A3=−2 因此(103)∫(arccos⁡x)2dx=(t2−2)cos⁡t−2tsin⁡t+C=[(arccos⁡x)2−2]x−21−x2arccos⁡x+C

(8) (104)∫xtan2⁡xdx=−x22+xtan⁡x+ln⁡|cos⁡x|+C

(9) (105)∫xsin2⁡(x)dx=ln⁡|sin⁡x|−xcot⁡x+C

(10) (106)∫exsin2⁡xdx=ex(A1+A2sin⁡2x+A3cos⁡2x)+C 求导得到(107)exsin2⁡x=ex(1−cos⁡2x)2=ex(A1+A2sin⁡2x+A3cos⁡2x+2A2cos⁡2x−2A3sin⁡2x) 比较系数得到(108)A1=12,A2−2A3=0,A3+2A2=−12 因此(109)A1=12,A2=−15,A3=−110 亦即(110)∫exsin2⁡xdx=12ex−15exsin⁡2x−110excos⁡2x+C

(11) (111)∫sin−1⁡exexdx=−e−xsin−1⁡ex−tanh−1⁡1−e2x+C

(12) (112)∫sin⁡(ln⁡x)dx=−12x[cos⁡(ln⁡x)−sin⁡(ln⁡x)]+C ◻

8.2.5 杂题

例 8.2.6 以下函数是否存在原函数?若存在,求它的不定积分。

(1)

f(x)=|(x−1)(3x−2)|

(2)

sgn(x)={1,x>0,0,x=0,−1,x<0.

(3)

f(x)={−cos⁡1x+2xsin⁡1x,x≠00,x=0.

解 (1) 存在,设(113)F(x):=C+{2x−52x2+x3,x∈(−∞,23]−2x+52x2−x3+2827,x∈(23,1)2x−52x2+x3+127,x∈[1,+∞) 验证可知F′(x)=f(x)。

(2) 不存在,因为导函数不存在第一类间断点。

(3) 存在,设(114)F(x):=C+{x2sin⁡1x,x≠00,x=0 验证可知F′(x)=f(x)。 ◻