分部积分法

函数四则运算的求导法则的逆用

分部积分法是 微积分学 中的一类重要的、基本的计算积分的方法。它是由 导数 的乘法法则和微积分基本定理推导而来的。它的主要原理是通过交换被积表达式和积分变量,将不易直接求结果的积分形式,转化为等价的易求出结果的积分形式。常用的分部积分的根据组成被积函数的基本函数类型,将分部积分的顺序整理为口诀:“反对幂指三”。分别代指五类基本函数: 反三角函数 、 对数函数 、 幂函数 、 指数函数 、三角函数的积分。

公式推导

分部积分法 :设 及 是两个关于x的函数,各自具有连续 导数 及 ,且 不定积分 存在,按照乘积函数求微分法则,则有 存在,且得 分部积分公式 如下

证明 :由

或

对上式两边求 不定积分 ,即得 分部积分公式 ,也将其简写为

如果将dv和du用 微分形式 写出,则亦可得出

上两式就把 的积分转化为 的积分,即将复杂的被积函数简单化。

例如 ,要求 ,则依分部积分法则,令

如此

则按上述公式有

四种典型模式

一般地,从要求的积分式 中将 凑成dv是容易的,但通常有原则可依,也就是说不当的分部变换不仅不会使被积分式得到精简,而且可能会更麻烦。分部积分法最重要之处就在于准确地选取dv,因为一旦dv确定,则公式中右边第二项 中的du也随之确定,但为了使式子得到精简,如何选取dv则要依du的复杂程度决定,也就是说,选取的dv一定要使v du比之前的形式更简单或更有利于求得积分。依照经验,可以得到下面四种典型的模式。记忆模式口诀:反(函数)对(数函数)幂(函数)三(角函数)指(数函数)。

模式一

通过对 求 导数 后, 中的 比u更加简洁,而 与v的类型相似或复杂程度相当。

例如 ,对于形如 、 、 的 不定积分 (其中 为m次 多项式 ),由于对多项式求微分可以降次,且 三角函数 或指函数的积分则较容易求得,所以可以令 ,而将另一个函数看成 通过分部求得积分。

例如 求

首先,

对该式第二项再按此模式进行分部积分,得

故原式

模式二

通过对 求 导数 使得它的类型与 的类型相同或相近,然后将它们作为一个统一的函数来处理。例如对形如 , , , , 等的积分,总是令 ,则 则为一个 次的 多项式 ,另一个函数( 等)看成 。通过分部积分,很容易求出 不定积分 。

例如 ,求

而该式第二项为

故原积分式

模式三

利用有些函数经一次或二次求 导数 后不变的性质,通过一次或二次分部积分后,使等式右端再次产生 ,只要它的系数不为1,就可以利用 解方程 的方法求出原积分 。

例如 ,对于积分 和

按法则对他们进行分部积分得

这样,所求积分均由另一个积分所表示出来,将这两式相加和相减(即解方程)得到所求积分表达式

以及

这两个通用表达式就可以求出该类型的所有积分式,比如

模式四

对某些形如 的 不定积分 ,利用分部积分可降低 的次数,求得递推公式,然后再次利用递推公式,求出 。

例如 ,对于积分

当 时,

当 时,

而该式的第二项又可变换为

将其带入上式,则得到

故

最后,得到统一的 递推关系式

定积分

与 不定积分 的分部积分法一样,可得

简写为

例如

示例

例1 :

例2:  

回代即可得到 的值。