本课导读
看这个积分:∫x2+4x+13dx。分母因式分解?判别式 Δ=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+13 整成 (x+2)2+9,积分立刻落进 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、arcsin);第 1 课的线性换元(u=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+2b)2−4b2——加上"一半的平方"再原地还回去。微例:x2+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)′=1+x21,(arcsinx)′=1−x21。倒着读并推广到参数 a:∫u2+a2du=a1arctanau+C,∫a2−u2du=arcsinau+C。微例:∫x2+9dx=31arctan3x+C。⚠️ 翻车点:arctan 前的 a1 忘写(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+h 时 du=dx,平移白送不费账。微例:∫(x+2)2+9dx 里 u=x+2 直接进。⚠️ 翻车点:u=2x+1 这类带系数的线性换元 du=2dx,账要除 2。
配方复健:三步走
目标:把 ax2+bx+c 写成 a(x+h)2+k——平方项 + 常数,消灭孤零零的一次项。
- 二次项系数不是 1?先提出来(只提前两项)
- 括号内加"一次项系数一半的平方",同时原地减掉
- 整理,展开验算
三个热身(覆盖三种地形):
x2+4x+13=(x+2)2+9
3−2x−x2=−(x2+2x)+3=−[(x+1)2−1]+3=4−(x+1)2
4x2+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 x 项一起收进括号,配完再乘回去。第三个是"取巧型"——4x2+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+a2 | ∫u2+a2du=a1arctanau+C | Δ<0 的归宿 |
| a2−u2 | ∫a2−u2du=arcsinau+C | 根号专属 |
| u2−a2 | 对数型(下一课用部分分式亲手推出来) | Δ>0 才会遇到 |
判别式罗盘——拿到 ax2+bx+c1 型积分先算 Δ=b2−4ac:
- Δ<0:因式分解无门,配方走 arctan(本课)
- Δ>0:能因式分解,走部分分式(第 5、6 课)
- Δ=0:完全平方 a(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 ∫x2+4x+13dx。
Δ=16−52<0,配方(🔧 工具箱 ①):x2+4x+13=(x+2)2+9。令 u=x+2(🔧 工具箱 ③,du=dx 白送):
∫u2+32du=31arctan3u+C=31arctan3x+2+C
例题 2(根号地形):求 ∫3−2x−x2dx。
热身里配好了:3−2x−x2=4−(x+1)2,正好是 a2−u2 的脸(a=2,u=x+1):
∫22−u2du=arcsin2u+C=arcsin2x+1+C
例题 3(分子拆两半——本课最重要的手法):求 ∫x2+2x+5x+3dx。
分子带 x,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+2,于是:
x+3=21(2x+2)+2
积分随之裂成两路,各走各的老路:
∫x2+2x+5x+3dx=第 1 课的 f′/f→ln21∫x2+2x+52x+2dx+本课的配方→arctan2∫(x+1)2+4dx
=21ln(x2+2x+5)+2⋅21arctan2x+1+C=21ln(x2+2x+5)+arctan2x+1+C
(x2+2x+5=(x+1)2+4>0 恒成立,ln 的绝对值可以省。)
提示
「分子拆两半」值得练到肌肉记忆:ln 路吃掉分母的导数,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:21(2x+2)+2=x+3 ✓
✍️ 练习
1. ∫x2+6x+10dx
✅ 参考答案
x2+6x+10=(x+3)2+1,a=1:
arctan(x+3)+Ca=1 时 a1 隐身——但它一直都在。
2. ∫8−2x−x2dx
✅ 参考答案
8−2x−x2=9−(x+1)2:
arcsin3x+1+C
3. ∫x2+2x+22x+7dx
✅ 参考答案
分子拆两半:2x+7=(2x+2)+5:
∫x2+2x+22x+2dx+5∫(x+1)2+1dx=ln(x2+2x+2)+5arctan(x+1)+C
4. ∫4x2+4x+5dx
✅ 参考答案
热身配过:4x2+4x+5=(2x+1)2+4。令 u=2x+1,注意 du=2dx(🔧 工具箱 ③ 的翻车点):
21∫u2+22du=21⋅21arctan2u+C=41arctan22x+1+C
5.(思考题)∫x2−4dx 为什么不该走 arctan?
✅ 参考答案
Δ=16>0:分母能因式分解成 (x−2)(x+2),这是"第三张脸" u2−a2。硬套 arctan 公式是错的——那条公式的推导依赖 u2+a2>0 恒正,而 x2−4 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:41lnx+2x−2+C)。
📝 随堂测验
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+c 整成 a(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+a2→a1arctanau(别忘 a1);a2−u2→arcsinau(没有 a1);u2−a2→ 对数型(下一课推)
- 判别式罗盘:Δ<0 配方走 arctan,Δ>0 留给部分分式,Δ=0 幂法则直办
- 分子拆两半:带 x 的分子 = 分母导数的倍数(走 ln)+ 纯常数(走 arctan)——第 6 课流水线的关键工序
- 带系数的线性换元(u=2x+1)记得 du=2dx,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。