分部积分法

分部积分法

微积分学计算方法
分部积分法是一个特别的积分方法,最适用于积分两个函数的积,但在其他的情况下也会有用。[1]它的主要原理是逆用两个相乘函数的微分公式,将所要求的积分转化为另外较为简单的函数的积分。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:“对反幂三指”。分别代指五类基本函数:对数函数、反三角函数、幂函数、三角函数、指数函数的积分次序。
  • 中文名:分部积分法
  • 外文名:Integration by parts
  • 表达式:∫v(x)u'(x)dx=v(x)u(x)- ∫v'(x)u(x)dx
  • 应用学科:数学
  • 适用领域范围:微积分
  • 原理:函数四则运算的求导法则的逆用
  • 数学分支:数学分析原理

公式推导

分部积分法:设是两个关于的函数,各自具有连续导数,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

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因为一确定,则公式中右边第二项中的也随之确定,但为了使式子得到精简,如何选取则要依的复杂程度决定,也就是说,选取的一定要使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)指(数函数)三(角函数)。

模式一

通过对求微分后,中的更加简洁,而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

通过对求微分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微分后不变的性质,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

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

时,

时,

而该式的第二项又可变换为

将其带入上式,则得到

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。

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