同济高数 第4章 第4-3-23题

教材习题

📝 题目

23. $\displaystyle{\int} x \ln ^{2} x \mathrm{~d} x$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 我们要求解不定积分 $$ \int x \ln^{2} x \, \mathrm{d}x $$ 使用分部积分法。设 $$ u = \ln^{2} x, \quad \mathrm{d}v = x \, \mathrm{d}x $$ 则 $$ \mathrm{d}u = 2 \ln x \cdot \frac{1}{x} \, \mathrm{d}x = \frac{2 \ln x}{x} \, \mathrm{d}x, \quad v = \frac{x^{2}}{2} $$ 由分部积分公式 $\int u \, \mathrm{d}v = uv - \int v \, \mathrm{d}u$ 得 $$ \int x \ln^{2} x \, \mathrm{d}x = \frac{x^{2}}{2} \ln^{2} x - \int \frac{x^{2}}{2} \cdot \frac{2 \ln x}{x} \, \mathrm{d}x $$ 化简第二项: $$ = \frac{x^{2}}{2} \ln^{2} x - \int x \ln x \, \mathrm{d}x $$ 再对 $\int x \ln x \, \mathrm{d}x$ 用分部积分,设 $$ u = \ln x, \quad \mathrm{d}v = x \, \mathrm{d}x $$ 则 $$ \mathrm{d}u = \frac{1}{x} \mathrm{d}x, \quad v = \frac{x^{2}}{2} $$ 于是 $$ \int x \ln x \, \mathrm{d}x = \frac{x^{2}}{2} \ln x - \int \frac{x^{2}}{2} \cdot \frac{1}{x} \, \mathrm{d}x = \frac{x^{2}}{2} \ln x - \frac{1}{2} \int x \, \mathrm{d}x $$ $$ = \frac{x^{2}}{2} \ln x - \frac{x^{2}}{4} + C_1 $$ 代回原式: $$ \int x \ln^{2} x \, \mathrm{d}x = \frac{x^{2}}{2} \ln^{2} x - \left( \frac{x^{2}}{2} \ln x - \frac{x^{2}}{4} \right) + C $$ 整理得 $$ \boxed{\frac{x^{2}}{2} \ln^{2} x - \frac{x^{2}}{2} \ln x + \frac{x^{2}}{4} + C} $$

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:应用分部积分法,设 u = ln²x, dv = x dx
令 u = ln²x, dv = x dx,则 du = 2 ln x / x dx, v = x²/2。
公式:∫ u dv = uv - ∫ v du
提示:分部积分时,选择 u 为对数函数,dv 为幂函数。
步骤 2/4
目标:代入分部积分公式
∫ x ln²x dx = (x²/2) ln²x - ∫ (x²/2) * (2 ln x / x) dx = (x²/2) ln²x - ∫ x ln x dx。
提示:化简被积函数。
步骤 3/4
目标:再次应用分部积分法求解 ∫ x ln x dx
令 u = ln x, dv = x dx,则 du = 1/x dx, v = x²/2。∫ x ln x dx = (x²/2) ln x - ∫ (x²/2)*(1/x) dx = (x²/2) ln x - (1/2)∫ x dx = (x²/2) ln x - x²/4 + C₁。
提示:再次使用分部积分,注意常数项。
步骤 4/4
目标:代回原式并整理
∫ x ln²x dx = (x²/2) ln²x - [(x²/2) ln x - x²/4] + C = (x²/2) ln²x - (x²/2) ln x + x²/4 + C。
提示:合并同类项,注意常数合并。

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