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课程库 Calculus 2 S4 · Integral Calculus › 第 4

配方法 —— 驯服二次三项式

普通课40 分钟

本课导读

看这个积分:dxx2+4x+13\displaystyle\int\frac{dx}{x^2+4x+13}。分母因式分解?判别式 Δ=1652<0\Delta = 16 - 52 < 0,实数范围拆不动。换元?分子里没有分母的导数。分部?没有乘积。三件兵器齐齐哑火。

破局的是一件中学老手艺:配方法。把 x2+4x+13x^2+4x+13 整成 (x+2)2+9(x+2)^2 + 9,积分立刻落进 arctan\arctan 的标准形。本课三步走:配方手艺复健、三张"标准脸"积分公式、以及一个第 6 课还要大量复用的关键手法——分子拆两半。预计 40 分钟。

说明

前置工具箱(只列不教):完全平方公式;反三角函数求导公式(arctan\arctanarcsin\arcsin);第 1 课的线性换元(u=x+hu = x + h)。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 完全平方x2+bx=(x+b2)2b24x^2 + bx = \left(x + \frac{b}{2}\right)^2 - \frac{b^2}{4}——加上"一半的平方"再原地还回去。微例:x2+4x=(x+2)24x^2 + 4x = (x+2)^2 - 4——例题 1 的前半段原式。⚠️ 翻车点:二次项系数不是 1 时要先把系数提出来,而且只提前两项,常数项留在外面。

② 反三角求导 → 标准积分(arctanx)=11+x2(\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2}(arcsinx)=11x2(\arcsin x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}。倒着读并推广到参数 aaduu2+a2=1aarctanua+C\int\frac{du}{u^2+a^2} = \frac{1}{a}\arctan\frac{u}{a} + Cdua2u2=arcsinua+C\int\frac{du}{\sqrt{a^2-u^2}} = \arcsin\frac{u}{a} + C。微例:dxx2+9=13arctanx3+C\int\frac{dx}{x^2+9} = \frac{1}{3}\arctan\frac{x}{3} + C。⚠️ 翻车点:arctan\arctan 前的 1a\frac{1}{a} 忘写(arcsin\arcsin 反而没有这个因子——最容易记串的一对)。

③ 线性换元(第 1 课):u=x+hu = x + hdu=dxdu = dx,平移白送不费账。微例:dx(x+2)2+9\int\frac{dx}{(x+2)^2+9}u=x+2u = x+2 直接进。⚠️ 翻车点:u=2x+1u = 2x+1 这类带系数的线性换元 du=2dxdu = 2\,dx,账要除 2。

配方复健:三步走

目标:把 ax2+bx+cax^2 + bx + c 写成 a(x+h)2+ka(x+h)^2 + k——平方项 + 常数,消灭孤零零的一次项。

  1. 二次项系数不是 1?先提出来(只提前两项)
  2. 括号内加"一次项系数一半的平方",同时原地减掉
  3. 整理,展开验算

三个热身(覆盖三种地形):

x2+4x+13=(x+2)2+9x^2 + 4x + 13 = (x+2)^2 + 9 32xx2=(x2+2x)+3=[(x+1)21]+3=4(x+1)23 - 2x - x^2 = -(x^2 + 2x) + 3 = -\left[(x+1)^2 - 1\right] + 3 = 4 - (x+1)^2 4x2+4x+5=(2x+1)2+44x^2 + 4x + 5 = (2x+1)^2 + 4

第二个(负二次项系数)最容易翻:先把负号连同 xx 项一起收进括号,配完再乘回去。第三个是"取巧型"——4x2+4x+14x^2 + 4x + 1 恰是完全平方,比提系数 4 更干净。每次配完花 3 秒展开验算,这是全课回报率最高的动作。

三张标准脸

配方后的分母只剩三种长相,每种对应一个标准积分:

标准脸积分公式备注
u2+a2u^2 + a^2duu2+a2=1aarctanua+C\displaystyle\int\frac{du}{u^2+a^2} = \frac{1}{a}\arctan\frac{u}{a} + CΔ<0\Delta < 0 的归宿
a2u2\sqrt{a^2 - u^2}dua2u2=arcsinua+C\displaystyle\int\frac{du}{\sqrt{a^2-u^2}} = \arcsin\frac{u}{a} + C根号专属
u2a2u^2 - a^2对数型(下一课用部分分式亲手推出来)Δ>0\Delta > 0 才会遇到

判别式罗盘——拿到 1ax2+bx+c\dfrac{1}{ax^2+bx+c} 型积分先算 Δ=b24ac\Delta = b^2 - 4ac

  • Δ<0\Delta < 0:因式分解无门,配方走 arctan\arctan(本课)
  • Δ>0\Delta > 0:能因式分解,走部分分式(第 5、6 课)
  • Δ=0\Delta = 0:完全平方 a(x+h)2a(x+h)^2,幂法则直接办,都轮不到新技术

例题:三张脸各来一遍

例题 1:求 dxx2+4x+13\displaystyle\int\frac{dx}{x^2+4x+13}

Δ=1652<0\Delta = 16 - 52 < 0,配方(🔧 工具箱 ①):x2+4x+13=(x+2)2+9x^2+4x+13 = (x+2)^2 + 9。令 u=x+2u = x+2(🔧 工具箱 ③,du=dxdu = dx 白送):

duu2+32=13arctanu3+C=13arctanx+23+C\int\frac{du}{u^2 + 3^2} = \frac{1}{3}\arctan\frac{u}{3} + C = \frac{1}{3}\arctan\frac{x+2}{3} + C

例题 2(根号地形):求 dx32xx2\displaystyle\int\frac{dx}{\sqrt{3-2x-x^2}}

热身里配好了:32xx2=4(x+1)23-2x-x^2 = 4 - (x+1)^2,正好是 a2u2\sqrt{a^2 - u^2} 的脸(a=2a=2u=x+1u = x+1):

du22u2=arcsinu2+C=arcsinx+12+C\int\frac{du}{\sqrt{2^2 - u^2}} = \arcsin\frac{u}{2} + C = \arcsin\frac{x+1}{2} + C

例题 3(分子拆两半——本课最重要的手法):求 x+3x2+2x+5dx\displaystyle\int\frac{x+3}{x^2+2x+5}\,dx

分子带 xx,不能直接套标准脸。核心思路:把分子拆成「分母导数的倍数 + 纯常数」。分母导数是 2x+22x+2,于是:

x+3=12(2x+2)+2x + 3 = \frac{1}{2}(2x+2) + 2

积分随之裂成两路,各走各的老路:

x+3x2+2x+5dx=122x+2x2+2x+5dx第 1 课的 f/fln  +  2dx(x+1)2+4本课的配方arctan\int\frac{x+3}{x^2+2x+5}\,dx = \underbrace{\frac{1}{2}\int\frac{2x+2}{x^2+2x+5}\,dx}_{\text{第 1 课的 } f'/f \,\to\, \ln} \; + \; \underbrace{2\int\frac{dx}{(x+1)^2+4}}_{\text{本课的配方} \,\to\, \arctan} =12ln(x2+2x+5)+212arctanx+12+C=12ln(x2+2x+5)+arctanx+12+C= \frac{1}{2}\ln(x^2+2x+5) + 2\cdot\frac{1}{2}\arctan\frac{x+1}{2} + C = \frac{1}{2}\ln(x^2+2x+5) + \arctan\frac{x+1}{2} + C

x2+2x+5=(x+1)2+4>0x^2+2x+5 = (x+1)^2+4 > 0 恒成立,ln\ln 的绝对值可以省。)

提示

「分子拆两半」值得练到肌肉记忆:ln\ln 路吃掉分母的导数,arctan\arctan 路吃掉剩下的常数。第 6 课的有理函数流水线上,每个"不可约二次因子"零件都要过这道工序。拆完 3 秒验算:12(2x+2)+2=x+3\frac{1}{2}(2x+2) + 2 = x + 3

✍️ 练习

1. dxx2+6x+10\displaystyle\int\frac{dx}{x^2+6x+10}

✅ 参考答案

x2+6x+10=(x+3)2+1x^2+6x+10 = (x+3)^2 + 1a=1a = 1

arctan(x+3)+C\arctan(x+3) + C

a=1a=11a\frac{1}{a} 隐身——但它一直都在。

2. dx82xx2\displaystyle\int\frac{dx}{\sqrt{8-2x-x^2}}

✅ 参考答案

82xx2=9(x+1)28-2x-x^2 = 9 - (x+1)^2

arcsinx+13+C\arcsin\frac{x+1}{3} + C

3. 2x+7x2+2x+2dx\displaystyle\int\frac{2x+7}{x^2+2x+2}\,dx

✅ 参考答案

分子拆两半:2x+7=(2x+2)+52x+7 = (2x+2) + 5

2x+2x2+2x+2dx+5dx(x+1)2+1=ln(x2+2x+2)+5arctan(x+1)+C\int\frac{2x+2}{x^2+2x+2}\,dx + 5\int\frac{dx}{(x+1)^2+1} = \ln(x^2+2x+2) + 5\arctan(x+1) + C

4. dx4x2+4x+5\displaystyle\int\frac{dx}{4x^2+4x+5}

✅ 参考答案

热身配过:4x2+4x+5=(2x+1)2+44x^2+4x+5 = (2x+1)^2 + 4。令 u=2x+1u = 2x+1,注意 du=2dxdu = 2\,dx(🔧 工具箱 ③ 的翻车点):

12duu2+22=1212arctanu2+C=14arctan2x+12+C\frac{1}{2}\int\frac{du}{u^2+2^2} = \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}\arctan\frac{u}{2} + C = \frac{1}{4}\arctan\frac{2x+1}{2} + C

5.(思考题)dxx24\displaystyle\int\frac{dx}{x^2-4} 为什么不该走 arctan\arctan

✅ 参考答案

Δ=16>0\Delta = 16 > 0:分母能因式分解成 (x2)(x+2)(x-2)(x+2),这是"第三张脸" u2a2u^2 - a^2。硬套 arctan\arctan 公式是错的——那条公式的推导依赖 u2+a2>0u^2 + a^2 > 0 恒正,而 x24x^2 - 4 会变号。正确工具是部分分式,下一课两课把它彻底拿下(答案预告:14lnx2x+2+C\frac{1}{4}\ln\left|\frac{x-2}{x+2}\right| + C)。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. $x^2 - 6x + 13$ 配方后是?

2. 分母 $ax^2+bx+c$ 判别式 $\Delta < 0$ 时,正确策略是?

3. $\displaystyle\int\frac{du}{u^2+a^2} = $ ?

4. 计算 $\displaystyle\int\frac{x+3}{x^2+2x+5}\,dx$,第一步是?

5. 被积函数里出现 $\sqrt{a^2 - u^2}$,对应的标准积分是?

本课小结

  • 配方法把 ax2+bx+cax^2+bx+c 整成 a(x+h)2+ka(x+h)^2 + k加一半的平方再还回去;系数不为 1 先提(只提前两项);负系数连负号一起收进括号;配完 3 秒展开验算
  • 三张标准脸:u2+a21aarctanuau^2+a^2 \to \frac{1}{a}\arctan\frac{u}{a}别忘 1a\frac{1}{a});a2u2arcsinua\sqrt{a^2-u^2} \to \arcsin\frac{u}{a}(没有 1a\frac{1}{a});u2a2u^2-a^2 \to 对数型(下一课推)
  • 判别式罗盘Δ<0\Delta<0 配方走 arctan\arctanΔ>0\Delta>0 留给部分分式,Δ=0\Delta=0 幂法则直办
  • 分子拆两半:带 xx 的分子 = 分母导数的倍数(走 ln\ln)+ 纯常数(走 arctan\arctan)——第 6 课流水线的关键工序
  • 带系数的线性换元(u=2x+1u=2x+1)记得 du=2dxdu = 2\,dx,账要除回去

下一课暂时放下积分号,上一节纯代数课:多项式除法与部分分式分解——把有理函数拆成积木的手艺。拆完之后,第 6 课的总装流水线就能一口气打穿所有有理函数积分。

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