本文接自上一篇《第四章 不定積分(一)》,繼續記錄總習題四。
總習題四
4.求下列不定積分(其中a、b爲常數):
(7)∫tan4xdx;
解
∫tan4xdx=∫tan2x(sec2x−1)dx=∫tan2xd(tanx)−∫(sec2x−1)dx=31tan3x−tanx+x+C.
(這道題主要利用三角變換公式進行計算)
(10)∫a−xa+xdx;
解一
∫a−xa+xdx=∫a2−x2a+xdx=a∫1−(ax)21d(ax)−21∫a2−x2d(a2−x2)=aarcsinax−a2−x2+C.
解二 令u=a−xa+x,即x=au2+1u2−1,則
∫a−xa+xdx=∫u⋅(1+u2)24audu=∫−2aud(1+u21)=−1+u22au+∫1+u22adu=−1+u22au+2aarctanu+C=(x−a)a−xa+x+2aarctana−xa+x+C.
(這道題可以利用換元積分或進行分式變換求解)
(11)∫x(x+1)dx;
解一
∫x(x+1)dx=∫(x+21)2−(21)2dxx=−21+21secu∫secudu=ln∣secu+tanu∣+C=ln∣2x+1+2x(x+1)∣+C.
解二 當x>0時,因爲x(x+1)1=x11+xx,故令u=1+xx,即x=1−u2u2,則
∫x(x+1)dx=∫1−u22du=∫(1−u1+1+u1)du=ln∣1−u1+u∣+C=ln∣∣∣∣∣1+x−x1+x+x∣∣∣∣∣+C=ln∣2x+1+2x(x+1)∣+C.
當x<−1時,同樣可得∫x(x+1)dx=ln∣2x+1+2x(x+1)∣+C。(這道題主要用分段或配方進行計算)
(15)∫x2x2−1dx;
解 ∫x2x2−1dxx=u1−∫1−u2udu=1−u2+C=xx2−1+C,易知當x<0和x>0時的結果相同。(這道題主要利用換元積分計算)
(16)∫(a2−x2)25dx;
解 設x=asinu(−2π<u<2π),則a2−x2=acosu,dx=acosudu,於是
∫(a2−x2)25dx=a41∫sec4udu=a41∫(tan2u+1)d(tanu)=3a4tan3u+a4tanu+C=3a41[(a2−x2)3x3+a2−x23x]+C.
(這道題主要利用三角函數進行替換)
(17)∫x41+x2dx;
解
∫x41+x2dxx=u1∫1+u2−u3du=−∫(u1+u2−1+u2u)du=−31(1+u2)23+1+u2+C=−31x3(1+x2)3+x1+x2+C.
易知當x<0和x>0時結果相同。(這道題用倒數換元再拆分因式計算)
(21)∫arctanxdx;
解
∫arctanxdx=∫arctanxd(1+x)=(1+x)arctanx−∫2x1dx=(1+x)arctanx−x+C.
(這道題在積分時湊出一個因式簡化計算)
(22)∫sinx1+cosxdx;
解
∫sinx1+cosxdx=∫2sin2xcos2x2∣cos2x∣dx=±2∫csc2xd(2x)=±2ln∣csc2x−cot2x∣+C.
上式當cos2x>0時取正,當cos2x<0時取負。
當cos2x>0時,
ln∣csc2x−cot2x∣=ln∣sin2x∣1−cos2x=ln(∣csc2x∣−∣cot2x∣).
當cos2x<0時,
ln∣csc2x−cot2x∣=ln∣sin2x∣1−cos2x=ln(∣csc2x∣+∣cot2x∣)=−ln(∣csc2x∣−∣cot2x∣).
因此有
∫sinx1+cosxdx=2ln(∣csc2x∣−∣cot2x∣)+C.
(這道題主要利用了分段求解)
(23)∫(1+x8)2x3dx;
解
∫(1+x8)2x3dx=41∫(1+x8)21d(x4)u=x441∫(1+u2)21du.
設u=tant(−2π<t<2π),則1+u2=sec2t,du=sec2tdt,於是
原式=41∫cos2tdt=162t+sin2t+C=8arctanx4+8(1+x8)x4+C.
(這道題利用了兩次換元求解)
(26)∫1+sinxsinxdx;
解一
令u=tan2x,得
∫1+sinxsinxdx=∫(1+u)2(1+u2)4udu=∫[(1+u)2−2+1+u22]du=1+u2+2arctanu+C=1+tan2x2+x+C.
解二
∫1+sinxsinxdx=∫cos2xsinx(1−sinx)dx=−∫cos2x1d(cosx)−∫(sec2x−1)dx=secx−tanx+x+C.
(這道題主要利用了換元或三角變換求解)
(27)∫1+cosxx+sinxdx;
解
∫1+cosxx+sinxdx=∫2xsec22xdx+∫tan2xdx=∫xd(tan2x)+∫tan2xdx=xtan2x+C.
(這道題主要倍角公式求解,另當該函數爲定積分時,有另一種解法,在總習題五第十一題(1),傳送門在這裏)
(28)∫esinxcos2xxcos3x−sinxdx;
解
∫esinxcos2xxcos3x−sinxdx=∫xesinxcosxdx−∫esinxtanxsecxdx=∫xd(esinx)−∫esinxd(secx)=xesinx−∫esinxdx−(secxesinx−∫esinxdx)=(x−secx)esinx+C.
(這道題利用分部積分法化簡至有相同部分可以相互抵消求解)
(31)∫e4x−e2x+1e3x+exdx;
解
∫e4x−e2x+1e3x+exdx=∫e2x+e−2x−1ex+e−xdx=∫(ex−e−x)2+1d(ex−e−x)=arctan(ex−e−x)+C.
(這道題利用分式約分求解)
(33)∫ln2(x+1+x2)dx;
解
∫ln2(x+1+x2)dx=xln2(x+1+x2)−∫1+x22xln(x+1+x2)dx=xln2(x+1+x2)−∫2ln(x+1+x2)d(1+x2)=xln2(x+1+x2)−21+x2ln(x+1+x2)+2x+C.
(這道題主要利用(ln(x+1+x2))′=1+x21進行化簡求解)
(34)∫(1+x2)23lnxdx;
解
∫(1+x2)23lnxx=u1∫(1+u2)23ulnudu=−∫lnud((1+u2)−21)=−1+u2lnu+∫u1+u2du=x1+x2lnx−∫1+x2dx=x1+x2lnx−ln(x+1+x2)+C.
(這道題利用倒數換元求解)
(35)∫1−x2arcsinxdx;
解 設x=sinu(−2π<u<2π),則1−x2=cosu,dx=cosudu,於是
∫1−x2arcsinxdx=∫ucos2udu=21∫u(1+cos2u)du=41∫ud(2u+sin2u)=4u(2u+sin2u)−41∫(2u+sin2u)du=4u2+4usin2u−4sin2u+C=4(arcsinx)2+2x1−x2arcsinx−4x2+C.
(這道題利用三角函數換元求解)
(36)∫1−x2x3arccosxdx;
解 設x=cosu(0<u<π),則1−x2=sinu,dx=−sinudu,於是
∫1−x2x3arccosxdx=−∫ucos3udu=−∫ud(sinu−31sin3u)=−u(sinu−31sin3u)+∫(sinu−31sin3u)du=−u(sinu−31sin3u)−31∫(2+cos2u)(cosu)=−u(sinu−31sin3u)−32cosu−91cos3u+C=−311−x2(2+x2)arccosx−91(6+x2)+C.
(這道題主要用三角函數換元再分部積分求解)
(38)∫sin3xcosxdx;
解
∫sin3xcosxdx=−∫cotxsec2xd(cotx)u=cotx−∫u(1+u21)du=−2u2−ln∣u∣+C=−2cot2x−ln∣cotx∣+C.
(這道題主要利用了三角函數換元)
(39)∫(2+cosx)sinxdx;
解
∫(2+cosx)sinxdx=∫(2+cosx)(cos2x+1)d(cosx)u=cosx∫(2+u)(u2+1)du=∫[6(u−1)1−2(u+1)1+3(u+2)1]du=61ln∣u−1∣−21ln∣u+1∣+31ln∣u+2∣+C=61ln(1−cosx)−21ln(1+cosx)+31ln(2+cosx)+C.
(這道題主要利用三角函數換元和因式分解積分)
(40)∫sinx+cosxsinxcosxdx;
解一
∫sinx+cosxsinxcosxdx=∫sinx+cosx21(sinx+cosx)2−21dx=21∫(sinx+cosx)dx−21∫sinx+cosx1dx=21(−cosx+sinx)−21∫sinx+cosx1dx.
令u=tan2x,則sinx=1+u22u,cosx=1+u21−u2,dx=1+u22du,故有
∫sinx+cosx1dx=∫2u+1−u22du=−∫(u−1)2−(2)22du=−21∫u−1−22du+21∫u−1+22du=21ln∣∣∣∣∣u−1−2u−1+2∣∣∣∣∣+C′.
因此有
∫sinx+cosxsinxcosxdx=21(sinx−cosx)−221ln∣∣∣∣∣∣∣∣tan2x−1−2tan2x−1+2∣∣∣∣∣∣∣∣+C.
解二
∫sinx+cosxsinxcosxdx=∫2sin(x+4π)sinxcosxdxu=x+4π∫22sinu2sin2u−1du=21∫sinudu−221∫cscudu=−2cos(x+4π)−221ln∣∣∣∣∣csc(x+4π)−cot(x+4π)∣∣∣∣∣+V.
(這道題主要利用萬能公式或三角函數換元積分求解)
寫在最後
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另,參考的積分表及公式見附錄。