分部积分法是微积分学中的一类重要的、基本的计算积分的方法。它是由莱布尼茨公式和微积分基本定理推导而来的。它的主要原理是通过交换被积表达式和积分变量,将不易直接求结果的积分形式,转化为等价的易求出结果的积分形式。
常用的分部积分的根据组成被积函数的基本函数类型,将分部积分的顺序整理为口诀:“反对幂指三”。分别代指五类基本函数:反三角函数、对数函数、幂函数、指数函数、三角函数的积分。
公式推导
分部积分法:设函数及
分别具有连续导数
及
,且不定积分
存在,按照乘积函数求微分法则,则有
存在,且得分部积分公式如下1
证明:由函数乘积的求导法则,有:
移项,得
对这个等式两边求不定积分,即得分部积分公式:
为简便起见,通常写为如下形式:
分部积分法实际上是通过交换被积表达式和积分变量来简化积分。
四种典型模式
一般地,从要求的积分式中将凑成
是容易的,但通常有原则可依,也就是说不当的分部变换不仅不会使被积分式得到精简,而且可能会更麻烦。分部积分法最重要之处就在于准确地选取
,因为一旦
确定,则公式中右边第二项
中的
也随之确定,但为了使式子得到精简,如何选取
则要依
的复杂程度决定,也就是说,选取的
一定要使
比之前的形式更简单或更有利于求得积分。依照经验,可以得到下面四种典型的模式。2记忆模式口诀:反(函数)对(数函数)幂(函数)指(数函数)三(角函数)。
“反对幂指三”具体是指,当积分出现反三角函数、对数函数、幂函数、指数函数、三角函数函数中的两种时,使用分部积分法,次序在前的为,在后的凑微分
,从而计算积分。
模式一
通过对求微分后,
中的
比
更加简洁,而
与
的类型相似或复杂程度相当。
例如,对于形如的不定积分(其中
为
次多项式),由于对多项式求微分可以降次,且三角函数或指函数的积分则较容易求得,所以可以令
,而将另一个函数看成
通过分部求得积分。2
例如 求
首先,
对该式第二项再按此模式进行分部积分,得
故原式
模式二
通过对求微分使得它的类型与
的类型相同或相近,然后将它们作为一个统一的函数来处理。例如对形如
等的积分,总是令
,则
则为一个
次的多项式,另一个函数(
等)看成
。通过分部积分,很容易求出不定积分。2
例如,求
而该式第二项为
故原积分式
模式三
利用有些函数经一次或二次求微分后不变的性质,通过一次或二次分部积分后,使等式右端再次产生,只要它的系数不为1,就可以利用解方程的方法求出原积分
。2
例如,对于积分和
按法则对他们进行分部积分得
这样,所求积分均由另一个积分所表示出来,将这两式相加和相减(即解方程)得到所求积分表达式
以及
这两个通用表达式就可以求出该类型的所有积分式,比如
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