老黄要探究一个问题:如何求不定积分∫x^a*(lnx)^ndx, n∈N*, a≠0或-1?
通过探究这个问题,就可以得到一个不定积分公式,它是甚至老黄前面分享过的另一个不定积分公式的。下面直接运用:
解:记t=lnx, 则x=e^t, dx=de^t=e^tdt,【换元积分法的应用】
原积分=∫t^n*e^((a+1)t)dt=∑(i=0->n)(-1)^i*n!/((n-i)!*(a+1)^(i+1))*t^(n-i)e^((a+1)t)+C【老黄前面推导出来的公式,这里称之为公式(1),形式上有所改变,实质不变,你可以从《老黄学高数》系统视频第254讲中找到这个公式的推导过程.】
=∑(i=0->)(-1)^i*n!/((n-i)!(a+1)^(i+1) )x^(a+1)*(lnx)^(n-i)+C.【这是一个新的公式,这里称之为公式(2)】
运用例题和练习来见证它的强大功能。例1老黄会用三种解法给大家做一个比较。
例1:求∫x^3*(lnx)^2dx.
解1:记t=lnx, 则x=e^t, dx=de^t=e^tdt;【先应用最普通的方法,需要运用两次分部积分公式】
原积分=∫t^2*e^(4t)dx
=1/4*∫t^2*de^(4t)=1/4*t^2e^(4t)-1/8*∫e^(4t)dt^2=1/4*t^2*e^(4t)-1/8*∫te^(4t)dt【运用了一次分部积分公式】
=1/4*t^2*e^(4t)-1/8*∫tde^(4t)=1/4*t^2*e^*(4t)-1/8*te^(4t)+1/8*∫e^(4t)dt【又运用了一次分部积分公式】
=1/4*t^2*e^(4t)-1/8*te^(4t)+1/32*e^(4t)+C【需要特别注意系数的变化,特别是符号上非常容易搞错】
=1/4*x^4(lnx)^2-1/8*x^4*lnx+x^4/32+C. 【最后还要恢复成关于x的形式】
解2:记t=lnx, 则x=e^t, dx=de^t=e^tdt;【第二种解法仍基于换元法】
原积分=∫t^2*e^(4t)dx=∑(i=0->2)(-1)^i∙2!/((2-i)!∙4^(i+1))t^(2-i)e^(4t)+C.【这是公式(1)的运用】
=1/4*t^2e^*(4t)-1/8*te^(4t)+1/32*e^(4t)+C【可以选择不展开公式,直接在公式中把x换回来】
=1/4*x^4(lnx)^2-1/8*x^4*lnx+x^4/32+C. 【这里坚持写出最后的形式,是为了和解法1做比较】
解3:原积分=∑(i=0->2)(-1)^i∙2!/((2-i)!∙4^(i+1))*x^4*(lnx)^(2-i)+C
=1/4*x^4(lnx)^2-1/8*x^4*lnx+x^4/32+C.【瞧,直接运用公式(2)多简便】
如果你觉得这道例题还看不出公式功能的强大,就看第二道例题,不用公式你可以解解看。
例2:求∫(lnx)^777/√(x^3)dx. 【一般方法解到天荒地老都解不出来】
解:a=-3/2, n=777.【当题目复杂时,先明确两个参数】
原积分=∑(i=0->777)(-1)^i∙777! )/((777-i)!∙(-1/2)^(i+1))∙x^(-1/2)∙(lnx)^(777-i)+C
=-∑(i=0->777)(2^(i+1)∙777!∙(lnx)^(777-i))/((777-i)!∙√x))+C.
最后看一道练习,答案直接给图片:
练习:求∫x^5(ln(2x))^2dx.
解法一其实并不好,但老黄探究过程中用到的,还是分享一下。结果是可以化简的,但用解法二直接就化简了,而且还能推出一个更好用的公式,算是公式(2)的进化版。
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