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【趣味数学题】反正切函数的积分

2021-10-07 10:07 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng )著

【问题】

这道经典问题是关于分部积分法(integration by parts)和换元积分法(integration by substitution)的一个很好的练习题。求解

%20%5Cint%20%5Carctan(x)%20dx

的积分公式。

【题解】

步骤一:分部积分法(integration by parts)

u%20%3D%20%5Carctan(x)%20dv%20%3D%20(1)dx,那么 du%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2Bx%5E2%7D%20dx%20v%20%3D%20x%20

把每一个部分代入分部积分法公式(integration by parts formula)

%5Cint%20udv%20%3D%20uv%20-%20%5Cint%20vdu


%5Cint%20%5Carctan(x)%20dx%20%20%3D%20%5Carctan(x)%5Ccdot%20x%20-%20%5Cint%20%5Cfrac%7Bx%7D%7B1%2Bx%5E2%7D%20dx


步骤二:换元积分法(integration by substitution)

我们现在专注于积分 %5Cint%20%5Cfrac%7Bx%7D%7B1%2Bx%5E2%7D%20dx%20

u%20%3D%201%20%2Bx%5E2,然后 du%20%3D%202x%20dx

所以,

%5Cint%20%5Cfrac%7Bx%7D%7B1%2Bx%5E2%7D%20dx%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cint%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bu%7D%20du%20

%5Cint%20%5Cfrac%7Bx%7D%7B1%2Bx%5E2%7D%20dx%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20%5Cln%7C1%2Bx%5E2%7C

因此,整个积分是

%20%5Cint%20%5Carctan(x)%20dx%20%3D%20x%5Carctan(x)%20-%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20%5Cln%7C1%2Bx%5E2%7C%20%2B%20C



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