当被积函数是乘积形式,比如 xexx e^xxlnxx \ln x,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 uu 和一个微分部分 dvdv,那么

udv=uvvdu\int u\,dv = uv - \int v\,du

这就是分部积分公式。只有当新的积分 vdu\int v\,du 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+vdud(uv) = u\,dv + v\,du

对两边关于 xx 积分:

d(uv)=udv+vdu\int d(uv) = \int u\,dv + \int v\,du

于是有

uv=udv+vduuv = \int u\,dv + \int v\,du

移项后得到

udv=uvvdu\int u\,dv = uv - \int v\,du

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 uudvdv

uu 选成求导后会变得更简单的那一部分。把 dvdv 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 exe^x 或三角函数,
  • 对数函数,比如 lnx\ln x,通常可看成 lnx1\ln x \cdot 1
  • 反三角函数,比如 arctanx\arctan x

最直接的快速判断是:选好 uu 之后,问自己 dudu 是否明显更简单。如果答案是否定的,就换一种选法。

例题:xlnxdx\int x \ln x\,dx

这是一个经典例子,因为 lnx\ln x 求导后会简单很多。先把被积函数写成乘积形式:

xlnxdx=(lnx)(x)dx\int x \ln x\,dx = \int (\ln x)(x)\,dx

这里定义域条件很重要:lnx\ln x 只在 x>0x > 0 时有定义,所以我们只在这个范围内讨论。

u=lnxdv=xdxu = \ln x \qquad dv = x\,dx

du=1xdxv=x22du = \frac{1}{x}\,dx \qquad v = \frac{x^2}{2}

代入公式:

xlnxdx=x22lnxx221xdx\int x \ln x\,dx = \frac{x^2}{2}\ln x - \int \frac{x^2}{2}\cdot \frac{1}{x}\,dx

化简剩下的积分:

xlnxdx=x22lnx12xdx\int x \ln x\,dx = \frac{x^2}{2}\ln x - \frac{1}{2}\int x\,dx

然后积分:

xlnxdx=x22lnx12x22+C\int x \ln x\,dx = \frac{x^2}{2}\ln x - \frac{1}{2}\cdot \frac{x^2}{2} + C

所以最终答案是

xlnxdx=x22lnxx24+C\int x \ln x\,dx = \frac{x^2}{2}\ln x - \frac{x^2}{4} + C

对结果求导来检验:

ddx(x22lnxx24)=xlnx\frac{d}{dx}\left(\frac{x^2}{2}\ln x - \frac{x^2}{4}\right) = x\ln x

这是发现符号错误最快的方法。

分部积分法的常见错误

  1. 选择的 uudvdv 使得新积分比原积分更难。
  2. 忘记 uvvduuv - \int v\,du 中的负号。
  3. uu 求导正确了,但 dvdv 积分算错了。
  4. 忽略某些表达式自带的定义域条件,比如 lnx\ln x
  5. 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\int x e^x\,dx
  • 多项式乘以三角函数,例如 xcosxdx\int x \cos x\,dx
  • 对数函数或反三角函数乘以 11 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\int x \sin x\,dx

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。

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