本课导读
第 1 课说过:积分的每件兵器都是某条求导规则的倒放。链式法则倒放是换元;今天倒放乘积法则,得到的兵器叫分部积分。它专治换元法无从下口的场面——∫xexdx、∫lnxdx、∫exsinxdx:两个"不相干"函数的乘积,谁也不是谁的导数。
本课三个层次:公式本身(一次移项的胜利)、谁当 u 的选人学问(口诀 + 原理)、两个招牌变化(dv=dx 的妙手、循环积分解方程)。预计 40 分钟。
说明
前置工具箱(只列不教):乘积法则 (uv)′=u′v+uv′;基本积分表(求 v 要用);第 1 课的凑微分(收尾常客)。手生了点开 30 秒回顾。
🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)
① 乘积法则:(uv)′=u′v+uv′。微例:(xex)′=ex+xex——把它移项两边积分,例题 1 的答案已经在里面了。⚠️ 翻车点:和链式法则搞混——乘积法则管 f⋅g,链式法则管 f(g)。
② 基本积分表速览(求 v 专用):∫exdx=ex、∫cosxdx=sinx、∫sinxdx=−cosx、∫xndx=n+1xn+1。微例:dv=exdx⇒v=ex——例题 1 马上用。⚠️ 翻车点:v 求错则全盘皆输;求 v 时不用带 +C(最后统一给一个)。
③ 凑微分(第 1 课):∫1+x2xdx=21ln(1+x2)+C(分子是分母导数的一半)。微例:例题 4 的收尾原式。⚠️ 翻车点:忘 21。
公式:一次移项的胜利
乘积法则 (uv)′=u′v+uv′ 两边积分:
uv=∫vdu+∫udv
移项,就是分部积分公式的全部:
∫udv=uv−∫vdu
读懂它的关键:这是一笔交换,不是消灭。把"难积的 ∫udv"换成"希望好积的 ∫vdu"——u 求了一次导(通常变简单),dv 被积了一次(不能变复杂)。如果换完更难,说明角色分错了,回去重选。
谁当 u:反对幂三指
选人口诀:反、对、幂、三、指——反三角、对数、幂函数、三角函数、指数函数。排前面的当 u(求导后大降维),排后面的进 dv(积分后不变形,无损)。
| 家族 | 求导后 | 积分后 | 结论 |
|---|
| 反三角 arctanx | 变代数式 1+x21(大降维) | 没人会背 | 抢着当 u |
| 对数 lnx | 变 x1(大降维) | 要靠分部才积得动 | 抢着当 u |
| 幂 xn | 降一次 nxn−1 | 升一次 | 中间派,看对手 |
| 三角 sinx | 原地转圈 | 原地转圈 | 安心进 dv |
| 指数 ex | 完全不变 | 完全不变 | 安心进 dv |
例题 1:求 ∫xexdx。
幂排在指前面:u=x,dv=exdx。于是 du=dx,v=ex(🔧 工具箱 ②,不带 +C):
∫xexdx=xex−∫exdx=(x−1)ex+C
注意
反着选的下场:令 u=ex、dv=xdx,得 ∫xexdx=2x2ex−21∫x2exdx——幂次从 1 涨到 2,越换越难。分部之后局面必须变简单,变难就立刻回头换人。
多次分部与表格法
例题 2:求 ∫x2exdx。
u=x2 求导只降一次幂,所以要分部两轮:
∫x2exdx=x2ex−2∫xexdx=x2ex−2[(x−1)ex]+C=(x2−2x+2)ex+C
这类「幂 × (指数或三角)」的多轮分部有个流水线写法——表格法:左列对 u 反复求导到 0,右列对 dv 反复积分,斜线相乘、符号 +,−,+,… 交替:
求导列 积分列 符号
x² eˣ +
2x eˣ −
2 eˣ +
0 eˣ
沿斜线收账:x2⋅ex−2x⋅ex+2⋅ex+C=(x2−2x+2)ex+C。一次写完,两轮分部的负号全帮你管好。
dv = dx 的妙手
例题 3:求 ∫lnxdx。
场上似乎没有"乘积"——但 lnx=lnx⋅1,那个看不见的 1dx 就是 dv。令 u=lnx,dv=dx,则 du=xdx,v=x:
∫lnxdx=xlnx−∫x⋅xdx=xlnx−x+C
例题 4:求 ∫arctanxdx。
同一招:u=arctanx,dv=dx:
∫arctanxdx=xarctanx−∫1+x2xdx=xarctanx−21ln(1+x2)+C
(收尾那步是第 1 课的凑微分,🔧 工具箱 ③。)
提示
口诀里排最前的两位(反三角、对数)有个共同点:它们的积分反而都靠这招打下来。凡是"只有一个函数、但它求导后变代数式"的,都试试 dv=dx。
循环积分:分部两次,解方程收网
例题 5:求 I=∫exsinxdx。
指数和三角都"打不死"(求导积分都原地转圈),分部一次不解决问题——但转圈正是机会:转两圈回到原点,就能解方程。
第一轮(u=sinx,dv=exdx):
I=exsinx−∫excosxdx
第二轮对新积分继续(u=cosx,dv=exdx——角色分配和第一轮同款:三角当 u,指数进 dv):
I=exsinx−[excosx+∫exsinxdx]=ex(sinx−cosx)−I
右边出现了 I 本人——把它当未知数移项:
2I=ex(sinx−cosx)⟹I=2ex(sinx−cosx)+C
注意
两个翻车点:其一,第二轮如果把角色换回来(让 ex 当 u),会精确地撤销第一轮的劳动,推出 I=I 的正确废话——两轮的选人策略必须从一而终。其二,移项解出 I 后别忘补 +C:解方程的过程把不定积分的常数弄丢了,最后要亲手还回去。
✍️ 练习
1. ∫xsinxdx
✅ 参考答案
u=x,dv=sinxdx,v=−cosx:
−xcosx+∫cosxdx=sinx−xcosx+C
2. ∫xlnxdx
✅ 参考答案
对数排在幂前面:u=lnx,dv=xdx,v=2x2:
2x2lnx−∫2x2⋅xdx=2x2lnx−4x2+C
3. ∫xe−xdx
✅ 参考答案
u=x,dv=e−xdx,v=−e−x:
−xe−x+∫e−xdx=−xe−x−e−x+C=−(x+1)e−x+C负号密集区,验算一下:[−(x+1)e−x]′=−e−x+(x+1)e−x=xe−x ✓
4. ∫(lnx)2dx
✅ 参考答案
u=(lnx)2,dv=dx:
x(lnx)2−∫x⋅x2lnxdx=x(lnx)2−2∫lnxdx再用例题 3 的成品:=x(lnx)2−2xlnx+2x+C。
5. ∫excosxdx
✅ 参考答案
循环积分同款流程(两轮都让三角当 u):
I=excosx+∫exsinxdx=excosx+exsinx−II=2ex(sinx+cosx)+C和例题 5 的结果互为"求导伴侣",可以互相验算。
📝 随堂测验
1. $\int x\cos x\,dx$ 该让谁当 $u$?
2. $\int x^2\ln x\,dx$ 该让谁当 $u$?
3. 分部积分公式是?
4. 求 $\int \ln x\,dx$ 的关键一招是?
5. 循环积分 $\int e^x\sin x\,dx$ 分部两次后出现 $I = \cdots - I$,下一步是?
本课小结
- 分部积分 = 乘积法则倒着走:∫udv=uv−∫vdu,一笔交换——换完必须变简单,变难就回头换人
- 选 u 口诀反对幂三指:反三角、对数抢着当 u(求导降维);三角、指数安心进 dv(积分无损);幂看对手
- 「幂 × 指/三角」要多轮分部——表格法流水线管好所有负号
- dv=dx 妙手专治"单函数"局面:∫lnxdx、∫arctanxdx
- 循环积分:指数 × 三角转两圈回原点,把 I 当未知数解方程;两轮选人从一而终,移项后补 +C
- 求 v 时不带 +C,最后统一给
下一课换个战场:∫x2+4x+13dx——分母不能因式分解,换元分部都下不了手。请出中学的老手艺配方法,它在积分里有一场高光演出。