当被积函数是乘积形式,比如 xex 或 xlnx,并且其中一个因子求导后会变得更简单时,分部积分法就很有用。它的目的不是为了套用一个看起来复杂的公式,而是把原来的积分转化成一个更容易计算的积分。
它来源于乘积求导法则的逆向使用。如果变换后的新积分并没有更简单,那么分部积分法很可能就不是合适的方法。
分部积分公式
如果你选定一个函数 u 和一个微分部分 dv,那么
∫udv=uv−∫vdu
这就是分部积分公式。只有当新的积分 ∫vdu 比原积分更容易时,它才真正有用。
这个公式为什么成立
先从微分形式的乘积法则开始:
d(uv)=udv+vdu
对两边关于 x 积分:
∫d(uv)=∫udv+∫vdu
于是有
uv=∫udv+∫vdu
移项后得到
∫udv=uv−∫vdu
你不需要每次都重新推导一遍,但这就是为什么公式里会有负号。
如何选择 u 和 dv
把 u 选成求导后会变得更简单的那一部分。把 dv 选成容易积分的那一部分。
一个常见的经验法则是 LIATE:对数函数、反三角函数、代数函数、三角函数、指数函数。它只是一个参考,不是硬性规则,但当你觉得有多种选择都合理时,它通常能提供帮助。
实际中,遇到下面这些情况时,常常会用到分部积分法:
- 多项式乘以 ex 或三角函数,
- 对数函数,比如 lnx,通常可看成 lnx⋅1,
- 反三角函数,比如 arctanx。
最直接的快速判断是:选好 u 之后,问自己 du 是否明显更简单。如果答案是否定的,就换一种选法。
例题:∫xlnxdx
这是一个经典例子,因为 lnx 求导后会简单很多。先把被积函数写成乘积形式:
∫xlnxdx=∫(lnx)(x)dx
这里定义域条件很重要:lnx 只在 x>0 时有定义,所以我们只在这个范围内讨论。
取
u=lnxdv=xdx
则
du=x1dxv=2x2
代入公式:
∫xlnxdx=2x2lnx−∫2x2⋅x1dx
化简剩下的积分:
∫xlnxdx=2x2lnx−21∫xdx
然后积分:
∫xlnxdx=2x2lnx−21⋅2x2+C
所以最终答案是
∫xlnxdx=2x2lnx−4x2+C
对结果求导来检验:
dxd(2x2lnx−4x2)=xlnx
这是发现符号错误最快的方法。
分部积分法的常见错误
- 选择的 u 和 dv 使得新积分比原积分更难。
- 忘记 uv−∫vdu 中的负号。
- u 求导正确了,但 dv 积分算错了。
- 忽略某些表达式自带的定义域条件,比如 lnx。
- 以为所有乘积都应该用分部积分法。有时换元法或基本积分公式更合适。
什么时候分部积分法有用
当被积函数的结构在经过一次求导后会变得更简单时,就适合使用这种方法。典型情况包括:
- 多项式乘以指数函数,例如 ∫xexdx,
- 多项式乘以三角函数,例如 ∫xcosxdx,
- 对数函数或反三角函数乘以 1 或其他简单因子。
如果这种方法没有让积分变简单,就应该停下来重新判断。分部积分法之所以有用,是因为它能降低复杂度,而不是因为公式可以机械套用。
试做一道类似的题
试试
∫xsinxdx
沿用同样的判断过程:选择求导后会简化的那一部分,套用一次公式,然后对你的答案求导验证。