分部積分法

分部積分法

微積分學計算方法
分部積分法是一個特别的積分方法,最适用于積分兩個函數的積,但在其他的情況下也會有用。[1]它的主要原理是逆用兩個相乘函數的微分公式,将所要求的積分轉化為另外較為簡單的函數的積分。根據組成被積函數的基本函數類型,将分部積分的順序整理為口訣:“對反幂三指”。分别代指五類基本函數:對數函數、反三角函數、幂函數、三角函數、指數函數的積分次序。
  • 中文名:分部積分法
  • 外文名:Integration by parts
  • 表達式:∫v(x)u'(x)dx=v(x)u(x)- ∫v'(x)u(x)dx
  • 應用學科:數學
  • 适用領域範圍:微積分
  • 原理:函數四則運算的求導法則的逆用
  • 數學分支:數學分析原理

公式推導

分部積分法:設是兩個關于的函數,各自具有連續導數,且不定積分存在,按照乘積函數求微分法則,則有存在,且得分部積分公式如下

證明:由

對上式兩邊求不定積分,即得分部積分公式,也将其簡寫為

如果将用微分形式寫出,則亦可得出

上兩式就把的積分轉化為的積分,即将複雜的被積函數簡單化。

例如,要求,則依分部積分法則,令

如此

則按上述公式有

四種典型模式

一般地,從要求的積分式中将湊成是容易的,但通常有原則可依,也就是說不當的分部變換不僅不會使被積分式得到精簡,而且可能會更麻煩。分部積分法最重要之處就在于準确地選取因為一确定,則公式中右邊第二項中的也随之确定,但為了使式子得到精簡,如何選取則要依的複雜程度決定,也就是說,選取的一定要使比之前的形式更簡單或更有利于求得積分。依照經驗,可以得到下面四種典型的模式。記憶模式口訣:反(函數)對(數函數)幂(函數)指(數函數)三(角函數)。

模式一

通過對求微分後,中的更加簡潔,而的類型相似或複雜程度相當。

例如,對于形如的不定積分(其中次多項式),由于對多項式求微分可以降次,且三角函數或指函數的積分則較容易求得,所以可以令,而将另一個函數看成通過分部求得積分。

例如 求

首先,

對該式第二項再按此模式進行分部積分,得

故原式

模式二

通過對求微分使得它的類型與的類型相同或相近,然後将它們作為一個統一的函數來處理。例如對形如

等的積分,總是令,則則為一個次的多項式,另一個函數(等)看成。通過分部積分,很容易求出不定積分。

例如,求

而該式第二項為

故原積分式

模式三

利用有些函數經一次或二次求微分後不變的性質,通過一次或二次分部積分後,使等式右端再次産生

隻要它的系數不為1,就可以利用解方程的方法求出原積分

例如,對于積分

按法則對他們進行分部積分得

這樣,所求積分均由另一個積分所表示出來,将這兩式相加和相減(即解方程)得到所求積分表達式

以及

這兩個通用表達式就可以求出該類型的所有積分式,比如

模式四

對某些形如的不定積分,利用分部積分可降低的次數,求得遞推公式,然後再次利用遞推公式,求出

例如,對于積分

時,

時,

而該式的第二項又可變換為

将其帶入上式,則得到

最後,得到統一的遞推關系式

定積分

與不定積分的分部積分法一樣,可得

簡寫為

例如

示例

例1:

例2:

回代即可得到的值。

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