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课程库 Calculus 2 S4 · Integral Calculus › 第 3

分部积分法 —— 乘积法则倒着走

普通课40 分钟

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\int x e^x\,dxlnxdx\int \ln x\,dxexsinxdx\int e^x\sin x\,dx: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 uu 的选人学问(口诀 + 原理)、两个招牌变化(dv=dxdv = 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)=uv+uv(uv)' = u'v + uv';基本积分表(求 vv 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)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'。微例:(xex)=ex+xex(xe^x)' = e^x + xe^x——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 fgf\cdot g,链式法则管 f(g)f(g)

② 基本积分表速览(求 vv 专用):exdx=ex\int e^x dx = e^xcosxdx=sinx\int\cos x\,dx = \sin xsinxdx=cosx\int\sin x\,dx = -\cos xxndx=xn+1n+1\int x^n dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}。微例:dv=exdxv=exdv = e^x dx \Rightarrow v = e^x——例题 1 马上用。⚠️ 翻车点:vv 求错则全盘皆输;求 vv不用+C+C(最后统一给一个)。

③ 凑微分(第 1 课):x1+x2dx=12ln(1+x2)+C\displaystyle\int\frac{x}{1+x^2}\,dx = \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + 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 12\frac{1}{2}

公式:一次移项的胜利

乘积法则 (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' 两边积分:

uv=vdu+udvuv = \int v\,du + \int u\,dv

移项,就是分部积分公式的全部:

udv=uvvdu\int u\,dv = uv - \int v\,du

读懂它的关键:这是一笔交换,不是消灭。把"难积的 udv\int u\,dv"换成"希望好积的 vdu\int v\,du"——uu 求了一次导(通常变简单),dvdv 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 uu(求导后大降维),排后面的进 dvdv(积分后不变形,无损)。

家族求导后积分后结论
反三角 arctanx\arctan x变代数式 11+x2\frac{1}{1+x^2}(大降维)没人会背抢着当 uu
对数 lnx\ln x1x\frac{1}{x}(大降维)要靠分部才积得动抢着当 uu
xnx^n降一次 nxn1n x^{n-1}升一次中间派,看对手
三角 sinx\sin x原地转圈原地转圈安心进 dvdv
指数 exe^x完全不变完全不变安心进 dvdv

例题 1:求 xexdx\displaystyle\int x e^x\,dx

幂排在指前面:u=xu = xdv=exdxdv = e^x dx。于是 du=dxdu = dxv=exv = e^x(🔧 工具箱 ②,不带 +C+C):

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

注意

反着选的下场:令 u=exu = e^xdv=xdxdv = x\,dx,得 xexdx=x22ex12x2exdx\displaystyle\int xe^x dx = \frac{x^2}{2}e^x - \frac{1}{2}\int x^2 e^x dx——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\displaystyle\int x^2 e^x\,dx

u=x2u = x^2 求导只降一次幂,所以要分部两轮

x2exdx=x2ex2xexdx=x2ex2[(x1)ex]+C=(x22x+2)ex+C\int x^2 e^x dx = x^2 e^x - 2\int x e^x dx = x^2 e^x - 2\left[(x-1)e^x\right] + C = (x^2 - 2x + 2)e^x + 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 uu 反复求导到 0,右列对 dvdv 反复积分,斜线相乘、符号 +,,+,+,-,+,\dots 交替:

求导列        积分列       符号
x²            eˣ           +
2x            eˣ           −
2             eˣ           +
0             eˣ

沿斜线收账:x2ex2xex+2ex+C=(x22x+2)ex+Cx^2\cdot e^x - 2x\cdot e^x + 2\cdot e^x + C = (x^2-2x+2)e^x + 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\displaystyle\int \ln x\,dx

场上似乎没有"乘积"——但 lnx=lnx1\ln x = \ln x \cdot 1,那个看不见的 1dx1\,dx 就是 dvdv。令 u=lnxu = \ln xdv=dxdv = dx,则 du=dxxdu = \frac{dx}{x}v=xv = x

lnxdx=xlnxxdxx=xlnxx+C\int \ln x\,dx = x\ln x - \int x\cdot\frac{dx}{x} = x\ln x - x + C

例题 4:求 arctanxdx\displaystyle\int \arctan x\,dx

同一招:u=arctanxu = \arctan xdv=dxdv = dx

arctanxdx=xarctanxx1+x2dx=xarctanx12ln(1+x2)+C\int \arctan x\,dx = x\arctan x - \int \frac{x}{1+x^2}\,dx = x\arctan x - \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + 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=dxdv = dx

循环积分:分部两次,解方程收网

例题 5:求 I=exsinxdxI = \displaystyle\int e^x\sin x\,dx

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=sinxu = \sin xdv=exdxdv = e^x dx):

I=exsinxexcosxdxI = e^x\sin x - \int e^x\cos x\,dx

第二轮对新积分继续(u=cosxu = \cos xdv=exdxdv = e^x dx——角色分配和第一轮同款:三角当 uu,指数进 dvdv):

I=exsinx[excosx+exsinxdx]=ex(sinxcosx)II = e^x\sin x - \left[e^x\cos x + \int e^x\sin x\,dx\right] = e^x(\sin x - \cos x) - I

右边出现了 II 本人——把它当未知数移项:

2I=ex(sinxcosx)I=ex(sinxcosx)2+C2I = e^x(\sin x - \cos x) \quad\Longrightarrow\quad I = \frac{e^x(\sin x - \cos x)}{2} + C

注意

两个翻车点:其一,第二轮如果把角色换回来(让 exe^xuu),会精确地撤销第一轮的劳动,推出 I=II = 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 II别忘补 +C+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\displaystyle\int x\sin x\,dx

✅ 参考答案

u=xu = xdv=sinxdxdv = \sin x\,dxv=cosxv = -\cos x

xcosx+cosxdx=sinxxcosx+C-x\cos x + \int\cos x\,dx = \sin x - x\cos x + C

2. xlnxdx\displaystyle\int x\ln x\,dx

✅ 参考答案

对数排在幂前面:u=lnxu = \ln xdv=xdxdv = x\,dxv=x22v = \frac{x^2}{2}

x22lnxx22dxx=x22lnxx24+C\frac{x^2}{2}\ln x - \int \frac{x^2}{2}\cdot\frac{dx}{x} = \frac{x^2}{2}\ln x - \frac{x^2}{4} + C

3. xexdx\displaystyle\int x e^{-x}\,dx

✅ 参考答案

u=xu = xdv=exdxdv = e^{-x}dxv=exv = -e^{-x}

xex+exdx=xexex+C=(x+1)ex+C-x e^{-x} + \int e^{-x}\,dx = -x e^{-x} - e^{-x} + C = -(x+1)e^{-x} + C

负号密集区,验算一下:[(x+1)ex]=ex+(x+1)ex=xex\left[-(x+1)e^{-x}\right]' = -e^{-x} + (x+1)e^{-x} = xe^{-x}

4. (lnx)2dx\displaystyle\int (\ln x)^2\,dx

✅ 参考答案

u=(lnx)2u = (\ln x)^2dv=dxdv = dx

x(lnx)2x2lnxxdx=x(lnx)22lnxdxx(\ln x)^2 - \int x\cdot\frac{2\ln x}{x}\,dx = x(\ln x)^2 - 2\int\ln x\,dx

再用例题 3 的成品:=x(lnx)22xlnx+2x+C= x(\ln x)^2 - 2x\ln x + 2x + C

5. excosxdx\displaystyle\int e^x\cos x\,dx

✅ 参考答案

循环积分同款流程(两轮都让三角当 uu):

I=excosx+exsinxdx=excosx+exsinxII = e^x\cos x + \int e^x\sin x\,dx = e^x\cos x + e^x\sin x - II=ex(sinx+cosx)2+CI = \frac{e^x(\sin x + \cos x)}{2} + C

和例题 5 的结果互为"求导伴侣",可以互相验算。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

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=uvvdu\int u\,dv = uv - \int v\,du,一笔交换——换完必须变简单,变难就回头换人
  • uu 口诀反对幂三指:反三角、对数抢着当 uu(求导降维);三角、指数安心进 dvdv(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=dxdv = dx 妙手专治"单函数"局面:lnxdx\int\ln x\,dxarctanxdx\int\arctan x\,dx
  • 循环积分:指数 × 三角转两圈回原点,把 II 当未知数解方程;两轮选人从一而终,移项后补 +C+C
  • vv 时不带 +C+C,最后统一给

下一课换个战场:dxx2+4x+13\displaystyle\int\frac{dx}{x^2+4x+13}——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。

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