中册 4.1 不定积分计算 第20题

数学分析早年真题

📝 题目

20.求下列积分. (1) $\displaystyle \int \frac{x^{14}}{\left(1+x^{5}\right)^{4}} \mathrm{~d} x$ . (2) $\displaystyle \int \frac{1}{x\left(1+x^{3}\right)^{2}} \mathrm{~d} x$ . (3) $\displaystyle \int \frac{1}{x+x^{n+1}} \mathrm{~d} x$ .(西南大学2004,山东科技2011( $n=5$ )) (4) $\displaystyle \int \frac{1}{x^{2}(1+x)} \mathrm{d} x$ 。 (5) $\displaystyle \int \frac{1}{x^{4}\left(1+x^{2}\right)} \mathrm{d} x$ . (6) $\displaystyle \int \frac{4 x^{3}+x^{7}}{x^{8}+9} \mathrm{~d} x$ . (7) $\displaystyle \int \frac{x^{2}}{(1-x)^{n}} \mathrm{~d} x$ .(浙江大学 2014( $n=2013$ ),南京师大 2005( $n=100$ ),南京财大 2009( $n=2009$ ),南京航空 2003( $n=2003$ ))

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)令 $t=x^{5}$ ,则 $$ \begin{aligned} \int \frac{x^{14}}{\left(1+x^{5}\right)^{4}} \mathrm{~d} x & =\frac{1}{5} \int \frac{x^{10}}{\left(1+x^{5}\right)^{4}} \mathrm{~d}\left(x^{5}\right)=\frac{1}{5} \int \frac{t^{2}}{(1+t)^{4}} \mathrm{~d} t=\frac{1}{5} \int \frac{(t+1)^{2}-2(t+1)+1}{(1+t)^{4}} \mathrm{~d} t \\ & =\frac{1}{5}\left[-\frac{1}{(1+t)}+\frac{1}{(1+t)^{2}}-\frac{1}{3} \frac{1}{(1+t)^{3}}+C\right]=\frac{1}{5}\left[-\frac{1}{\left(1+x^{5}\right)}+\frac{1}{\left(1+x^{5}\right)^{2}}-\frac{1}{3} \frac{1}{\left(1+x^{5}\right)^{3}}+C\right] . \end{aligned} $$ (2)令 $t=x^{3}$ ,则 $$ \begin{aligned} \int \frac{1}{x\left(1+x^{3}\right)^{2}} \mathrm{~d} x & =\int \frac{x^{2}}{x^{3}\left(1+x^{3}\right)^{2}} \mathrm{~d} x=\frac{1}{3} \int \frac{1}{x^{3}\left(1+x^{3}\right)^{2}} \mathrm{~d}\left(x^{3}\right)=\frac{1}{3} \int \frac{1}{t(1+t)^{2}} \mathrm{~d} t=\frac{1}{3} \int\left[\frac{1}{t(1+t)}-\frac{1}{(1+t)^{2}}\right] \mathrm{d} t \\ & =\frac{1}{3}\left(\ln \left|\frac{t}{1+t}\right|+\frac{1}{1+t}\right)+C=\frac{1}{3}\left(\ln \left|\frac{x^{3}}{1+x^{3}}\right|+\frac{1}{1+x^{3}}\right)+C \end{aligned} $$ (3)方法 1: $\displaystyle \int \frac{1}{x\left(x^{n}+1\right)} \mathrm{d} x=\int \frac{1}{x^{n+1}\left(1+x^{-n}\right)} \mathrm{d} x=-\frac{1}{n} \int \frac{\mathrm{~d}\left(1+x^{-n}\right)}{1+x^{-n}}$ $$ =-\frac{1}{n} \ln \left|1+x^{-n}\right|+C=\frac{1}{n} \ln \left|\frac{x^{n}}{1+x^{n}}\right|+C . $$ 方法 2: $\displaystyle \int \frac{1}{x\left(x^{n}+1\right)} \mathrm{d} x=\int\left(\frac{1}{x}-\frac{x^{n-1}}{1+x^{n}}\right) \mathrm{d} x=\ln |x|-\frac{1}{n} \ln \left|1+x^{n}\right|+C$ . (4) $\displaystyle \int \frac{1}{x^{2}(1+x)} \mathrm{d} x=\int \frac{1-x}{x^{2}} \mathrm{~d} x+\int \frac{1}{1+x} \mathrm{~d} x=-\frac{1}{x}-\ln |x|+\ln |1+x|+C$ . (5) $\displaystyle \int \frac{\mathrm{d} x}{x^{4}\left(1+x^{2}\right)}=\int\left(\frac{1-x^{2}}{x^{4}}+\frac{1}{1+x^{2}}\right) \mathrm{d} x=\int\left(x^{-4}-x^{-2}\right) \mathrm{d} x+\int \frac{\mathrm{d} x}{1+x^{2}}=-\frac{1}{3} x^{-3}+x^{-1}+\arctan x+C$ . (6) $\displaystyle \int \frac{4 x^{3}+x^{7}}{x^{8}+9} \mathrm{~d} x=4 \int \frac{x^{3}}{x^{8}+9} \mathrm{~d} x+\int \frac{x^{7}}{x^{8}+9} \mathrm{~d} x=\frac{1}{8} \ln \left(9+x^{8}\right)+\frac{1}{3} \arctan \frac{x^{4}}{3}+C$ . (7) $\displaystyle \int \frac{x^{2}}{(1-x)^{n}} \mathrm{~d} x=\int \frac{(1-x)^{2}-2(1-x)+1}{(1-x)^{n}} \mathrm{~d} x=\int\left[(1-x)^{2-n}-2(1-x)^{1-n}+(1-x)^{-n}\right] \mathrm{d} x$ $$ =\frac{1}{(n-1)(1-x)^{n-1}}-\frac{2}{(n-1)(1-x)^{n-2}}+\frac{1}{(n-3)(1-x)^{n-3}}+C . $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/8
目标:换元简化积分
令 $t = x^5$,则 $\mathrm{d}t = 5x^4 \mathrm{d}x$,所以 $\mathrm{d}x = \frac{\mathrm{d}t}{5x^4}$。原积分化为 $\int \frac{x^{14}}{(1+x^5)^4} \mathrm{d}x = \frac{1}{5} \int \frac{x^{10}}{(1+x^5)^4} \mathrm{d}(x^5) = \frac{1}{5} \int \frac{t^2}{(1+t)^4} \mathrm{d}t$。
公式:$\mathrm{d}t = 5x^4 \mathrm{d}x$
提示:注意换元时微分变换的系数,$\mathrm{d}(x^5) = 5x^4 \mathrm{d}x$,不要漏掉系数。
步骤 2/8
目标:有理函数分解
将 $\frac{t^2}{(1+t)^4}$ 分解为部分分式。令 $u = 1+t$,则 $t = u-1$,$t^2 = (u-1)^2 = u^2 - 2u + 1$,所以 $\frac{t^2}{(1+t)^4} = \frac{u^2 - 2u + 1}{u^4} = u^{-2} - 2u^{-3} + u^{-4}$。
公式:$(u-1)^2 = u^2 - 2u + 1$
提示:分解时注意分子分母次数,确保分解正确。
步骤 3/8
目标:积分计算
积分得 $\frac{1}{5} \int (u^{-2} - 2u^{-3} + u^{-4}) \mathrm{d}u = \frac{1}{5} \left( -u^{-1} + u^{-2} - \frac{1}{3} u^{-3} \right) + C$。
公式:$\int u^n \mathrm{d}u = \frac{u^{n+1}}{n+1} + C$($n \neq -1$)
提示:积分时注意幂次加1,系数要正确。
步骤 4/8
目标:回代变量
将 $u = 1+t$ 和 $t = x^5$ 代回,得 $\frac{1}{5} \left( -\frac{1}{1+x^5} + \frac{1}{(1+x^5)^2} - \frac{1}{3} \frac{1}{(1+x^5)^3} \right) + C$。
提示:回代时注意符号和系数,不要遗漏。
步骤 5/8
目标:换元简化积分
令 $t = x^3$,则 $\mathrm{d}t = 3x^2 \mathrm{d}x$,所以 $\frac{1}{x(1+x^3)^2} \mathrm{d}x = \frac{x^2}{x^3(1+x^3)^2} \mathrm{d}x = \frac{1}{3} \frac{1}{t(1+t)^2} \mathrm{d}t$。
公式:$\mathrm{d}t = 3x^2 \mathrm{d}x$
提示:注意凑微分时分子分母的调整。
步骤 6/8
目标:有理函数分解
将 $\frac{1}{t(1+t)^2}$ 分解为部分分式:$\frac{1}{t(1+t)^2} = \frac{1}{t} - \frac{1}{1+t} - \frac{1}{(1+t)^2}$。验证:通分后分子为 $(1+t)^2 - t(1+t) - t = 1+2t+t^2 - t - t^2 - t = 1$。
公式:部分分式分解公式
提示:分解时注意分母因式,可设 $\frac{A}{t} + \frac{B}{1+t} + \frac{C}{(1+t)^2}$ 求解系数。
步骤 7/8
目标:积分计算
积分得 $\frac{1}{3} \int \left( \frac{1}{t} - \frac{1}{1+t} - \frac{1}{(1+t)^2} \right) \mathrm{d}t = \frac{1}{3} \left( \ln|t| - \ln|1+t| + \frac{1}{1+t} \right) + C = \frac{1}{3} \left( \ln\left|\frac{t}{1+t}\right| + \frac{1}{1+t} \right) + C$。
公式:$\int \frac{1}{x} \mathrm{d}x = \ln|x| + C$,$\int \frac{1}{(1+t)^2} \mathrm{d}t = -\frac{1}{1+t} + C$
提示:注意 $\int \frac{1}{(1+t)^2} \mathrm{d}t$ 的积分结果是 $-\frac{1}{1+t}$,符号不要弄错。
步骤 8/8
目标:回代变量
将 $t = x^3$ 代回,得 $\frac{1}{3} \left( \ln\left|\frac{x^3}{1+x^3}\right| + \frac{1}{1+x^3} \right) + C$。
提示:回代时注意对数内表达式。

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