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一类复杂的指数积分

本节分享一类复杂的指数积分,这种题目的特点是指数部分含有多项式或者三角函数,常规处理手段都较为复杂,下面一起来看看吧!

例题

例 1

Example

\[ \int x^{2}\cdot \mathrm{e}^{ \frac{x^{2}}{2}-x }\mathrm{~d} x \]

解:对于指数部分 \(\mathrm{e}^{ \frac{x^{2}}{2}-x }\),求导之后这部分的形式仍然是存在的,换句话说,最后的积分结果中一定含有这个“零件”,因此我们考虑将其换元为 \(t\),则:

\[ \mathrm{~d} t= \left( \frac{x^{2}}{2}-x \right)'t\mathrm{~d} x=(x-1)t\mathrm{~d} x \]

即有:

\[ \frac{\mathrm{~d} t }{t} = (x-1)\mathrm{~d} x \]

则:

\[ \begin{aligned} \int x^{2}\cdot \mathrm{e}^{ \frac{x^{2}}{2}-x }\mathrm{~d} x &= \int x^{2}\cdot t\mathrm{~d} x\\ &=\int t(x^{2}-1)\mathrm{~d} x+\int t\mathrm{~d} x \\ &= \int t(x+1){\color{red}{(x-1)\mathrm{~d} x}}+\int t\mathrm{~d} x\\ &= \int t(x+1) \frac{\mathrm{~d} t }{t}+\int t\mathrm{~d} x\\ &=\int(x+1)\mathrm{~d} t+\int t\mathrm{~d} x\\ &= \int \mathrm{~d} [t(x+1)]\\ &= t(x+1)+C\\ &= (x+1)\cdot \mathrm{e}^{ \frac{x^{2}}{2}-x }+C \end{aligned} \]

可以看到,为了凑出换元后 \(\mathrm{~d} t\) 的表达式,我将 \(x^{2}\) 拆成了 \(x^{2}-1\) 和 \(1\),这样利用平方差公式就可以代入 \(t\) 的微分表达式,从而化简为一个全微分形式,从而凑出乘积的导数,极大简化问题复杂度!

例 2

Example

\[ \int \mathrm{e}^{ \sin x }\left( \frac{x\cos ^{3}x-\sin x}{\cos ^{2}x} \right)\mathrm{~d} x \]

解:和上一题一个思路,我们分析一下哪些“零件”在最后的结果中是一定存在的,不难注意到,\(p=\mathrm{e}^{ \sin x }\) 和 \(q=\displaystyle\frac{\mathrm{e}^{ \sin x }}{\cos x}\) 在最后的结果中一定存在,因此进行换元处理。

微分得:

\[ \begin{aligned} \frac{\mathrm{~d} p }{p} &= \cos x\mathrm{~d} x=\frac{p}{q}\mathrm{~d} x\\ \frac{\mathrm{~d} q }{q} &=\left( \cos x+\frac{\sin x}{\cos x} \right)\mathrm{~d} x \end{aligned} \]

故:

\[ \begin{aligned} \int \mathrm{e}^{ \sin x }\left( \frac{x\cos ^{3}x-\sin x}{\cos ^{2}x} \right)\mathrm{~d} x &= \int x\mathrm{e}^{ \sin x }\cos x\mathrm{~d} x -\int \mathrm{e}^{ \sin x }\cdot \frac{\sin x}{\cos ^{2} x}\mathrm{~d} x\\ &= \int xp \frac{\mathrm{~d} p }{p} -\int \frac{\mathrm{e}^{ \sin x }}{\cos x}\cdot \frac{\sin x}{\cos x}\mathrm{~d} x\\ &= \int x\mathrm{~d} p - \int q\left( \frac{\mathrm{~d} q }{q}- \frac{\mathrm{~d} p }{p} \right) \\ \end{aligned} \]

对第一个积分使用分部积分:

\[ \begin{aligned} \int \mathrm{e}^{ \sin x }\left( \frac{x\cos ^{3}x-\sin x}{\cos ^{2}x} \right)\mathrm{~d} x &= \int x\mathrm{~d} p - \int q\left( \frac{\mathrm{~d} q }{q}- \frac{\mathrm{~d} p }{p} \right)\\ &= xp-\int p\mathrm{~d} x - \int \mathrm{~d} q +\int q\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p}\\ &= xp-q +\left( \int q\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p} - \int p\mathrm{~d} x \right) \end{aligned} \]

根据我们最一开始得到的微分式中的第一个式子,我们有:\(\displaystyle \frac{\mathrm{~d} p}{p}= \frac{p}{q}\mathrm{~d} x\),变形得:

\[ q\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p}=p\mathrm{~d} x \]

所以上面括号里面两个积分作差结果就是 \(0\) ,十分巧妙!

因此最后的答案就是:

\[ \begin{aligned} I &= xp-q+C\\ &=\mathrm{e}^{ \sin x }\left( x- \frac{1}{\cos x} \right)+C \end{aligned} \]

例 3

Example

\[ \int \left( 1+x-\frac{1}{x} \right)\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }\mathrm{~d} x \]

分析:这个题很早之前火过一阵子,是《天才基本法》里面出现的一道题,难度并不大,直接凑微分分部积分即可。但是我们仍然可以使用前文提过的方法进行解决。

解:同样地,我们考虑哪些“零件”会在最后的结果中出现,容易注意到,\(p=\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }\) 和 \(q=x\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }\) 是不会改变的,因此进行换元处理。

微分得:

\[ \begin{aligned} \frac{\mathrm{~d} p }{p} &= \left( 1- \frac{1}{x^{2}} \right)\mathrm{~d} x\\ \frac{\mathrm{~d} q }{q} &= \left( 1 + \frac{1}{x} - \frac{1}{x^{2}} \right)\mathrm{~d} x \end{aligned} \]

则:

\[ \begin{aligned} \int \left( 1+x-\frac{1}{x} \right)\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }\mathrm{~d} x &= \int x\left( 1+\frac{1}{x}-\frac{1}{x^{2}} \right)\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }\mathrm{~d} x\\ &= \int xp \frac{\mathrm{~d} q}{q}\\ \end{aligned} \]

注意到:

\[ \frac{xp}{q}= \frac{x\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }}{x\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }}=1 \]

代入得:

\[ \begin{aligned} I &= \int \frac{xp}{q} \mathrm{~d} q\\ &= \int dq\\ &= q+C\\ &= x\mathrm{e}^{ x+ \frac{1}{x} }+C \end{aligned} \]

例 4

Example

\[ \int \frac{\mathrm{e}^{ x\sin x+\cos x }\cdot(x^{4}\cos ^{3}x-x\sin x+\cos x)}{x^{2}\cos ^{2}x}\mathrm{~d} x \]

解:相信看到这种题,大家都是两眼一黑,不过别怕,用上面的方法一样可以顺利解决!

分析哪些“零件”是不会变的,其实并不是非常显然,但是我们可以类比例题 2 的过程和最终结果,我们考虑令 \(p=\mathrm{e}^{ x\sin x+\cos x }\) 和 \(\displaystyle q= \frac{\mathrm{e}^{ x\sin x+\cos x }}{x\cos x}\),微分得:

\[ \begin{aligned} \frac{\mathrm{~d} p }{p} &= (\sin x+x\cos x-\sin x)\mathrm{~d} x= {\color{red}{x\cos x}}\mathrm{~d} x= \frac{p}{q}\mathrm{~d} x\\ \frac{\mathrm{~d} q }{q} &= \left( x\cos x- \frac{1}{x}+ \frac{\sin x}{\cos x} \right)\mathrm{~d} x \end{aligned} \]

同时我们还有等式:\(qx\cos x=p\)

则:

\[ \begin{aligned} I &= \int p \cdot \left( x^{2}\cos x- \frac{\sin x}{x\cos ^{2}x} + \frac{1}{x^{2}\cos x} \right)\mathrm{~d} x\\ &= \int px\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p} - \int \frac{p}{x}\left( \frac{\sin x}{\cos ^{2}x}-\frac{1}{x\cos x} \right)\mathrm{~d} x\\ &= \int x\mathrm{~d} p - \int \frac{p}{x\cos x}\left( \frac{\sin x}{\cos x}-\frac{1}{x} \right)\mathrm{~d} x\\ &= \int x\mathrm{~d} p - \int q\left( \frac{\mathrm{~d} q }{q}-\frac{\mathrm{~d} p }{p} \right)\\ \end{aligned} \]

对第一个积分使用分部积分得:

\[ \begin{aligned} I &= \int x\mathrm{~d} p - \int q\left( \frac{\mathrm{~d} q }{q}-\frac{\mathrm{~d} p }{p} \right)\\ &= xp-\int p\mathrm{~d} x - \int \mathrm{~d} q+\int q\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p}\\ &= xp-\int \mathrm{~d} q+\left( \int q\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p}-\int p\mathrm{~d} x \right) \end{aligned} \]

根据我们最一开始得到的微分式中的第一个式子,我们有:\(\displaystyle \frac{\mathrm{~d} p}{p}= \frac{p}{q}\mathrm{~d} x\),变形得:

\[ q\cdot \frac{\mathrm{~d} p }{p}=p\mathrm{~d} x \]

所以上面括号里面两个积分作差结果就是 \(0\) ,十分巧妙!

因此最后的答案就是:

\[ \begin{aligned} I &= xp-\int \mathrm{~d} q\\ &= xp-q+C\\ &= \mathrm{e}^{ x\sin x+\cos x }\cdot\left( x-\frac{1}{x\cos x} \right)+C \end{aligned} \]

本节这类问题除了文章开头说的特点外,都还有另一个特点,那就是指数部分都不在分母上,如果在分母上,解决方法又是不一样的,大家可以自己思考一下,下面留几个指数出现在分母的题目,大家可以自己做一做,欢迎在评论区分享你的解答!!!

习题

Q1

Question

\[ \int \frac{x-2}{\sqrt{ \mathrm{e}^{ x }-x^{2} }}\mathrm{~d} x \]

Q2

Question

\[ \int \frac{1+\cot x}{1+\mathrm{e}^{ x }\sin x}\mathrm{~d} x \]

Q3

Question

\[ \int \frac{x(x+1)}{(\mathrm{e}^{ x }+x+1)^{2}}\mathrm{~d} x \]
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