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分部积分法

分部积分法把一个乘积的积分改写成另一个积分,来源是乘积求导。若 u,v 在 [a,b] 连续可导,则 (uv)′=u′v+uv′;两侧积分并移项,得到 ∫abu(x)v′(x)dx=[u(x)v(x)]ab−∫abu′(x)v(x)dx. 在不定积分记法中常写作 ∫udv=uv−∫vdu。其中 dv 应对应原被积函数中确实可积的一部分。

一次计算应让剩下的积分更简单

求 ∫01xexdx,取 u=x、dv=exdx,所以 du=dx、v=ex。代入公式得 ∫01xexdx=[xex]01−∫01exdx=e−(e−1)=1. 若反过来让 u=ex、dv=xdx,新积分含 x2ex/2,复杂度增加。选择不是机械口诀,而是观察哪一项求导会简化、哪一项容易找原函数。

对数函数还给出另一种用法。求 ∫1elog⁡xdx 时,被积函数表面上只有一个因子,可把它视为 u=log⁡x 与 dv=dx 的乘积。于是 du=dx/x、v=x,剩下的积分变成 ∫1e1dx,最后有 [xlog⁡x]1e−(e−1)=e−(e−1)=1。这里并不是随意“添上一个一”,而是选择一个容易积分的 dv,使对数求导后抵消分母。结果为正,也与 log⁡x≥0 在此区间一致。

两次分部积分与边界项

对 ∫excos⁡xdx,先取 u=cos⁡x、dv=exdx,得 I=excos⁡x+∫exsin⁡xdx;再对后一个积分取 u=sin⁡x、dv=exdx,得到 ∫exsin⁡xdx=exsin⁡x−I。因此 2I=ex(sin⁡x+cos⁡x), I=ex2(sin⁡x+cos⁡x)+C. 对右边求导可直接验回 excos⁡x。若是定积分,必须在每次变形中保留 [uv]ab;无穷端点的反常积分还须先在有限区间使用公式,再取端点极限,不能直接代入“无穷处的值”。

参考资料