方企勤 第三章 一元函数积分学 第3.1题

教材习题

📝 题目

3.1.2 求不定积分 $\displaystyle{I = \int \frac{1}{1 + {x}^{4}}\mathrm{\;d}x,J = \int \frac{{x}^{2}}{1 + {x}^{4}}\mathrm{\;d}x}$ .

💡 答案解析

3. 1.1 (1) $x - {\mathrm{e}}^{x} + \frac{1}{2}{\mathrm{e}}^{2x} + C$ ; (2) $- \arctan x - \frac{1}{x} + C$ ;

(3) $\frac{4}{7}{x}^{\frac{7}{4}} + C$ ; (4) $2\arcsin x + C$ ;

(5) $\tan x - x + C$ ;

(6) $\frac{1}{2\cos {2x} + 2}\left( {4\sin {2x} - {2x} - {2x}\cos {2x}}\right) + C$ ;

(7) $- 4\frac{\sin {4x}}{2 - 2\cos {4x}} + C$ ; (8) $- 8\frac{\sin {2x}}{2 - 2\cos {4x}} + C$ ;

(9) $\frac{1}{6}\sqrt{6}\arctan \frac{1}{2}x\sqrt{6} + C$ ;

(10) $\frac{1}{12}\sqrt{6}\ln \left( {x + \frac{1}{3}\sqrt{6}}\right) - \frac{1}{12}\sqrt{6}\ln \left( {x - \frac{1}{3}\sqrt{6}}\right) + C$ ;

(11) $\sqrt[3]{1 - {3x}}\left( {\frac{3}{4}x - \frac{1}{4}}\right) + C$ ;

(12) $\sqrt[3]{1 - {3x}}\left( {\frac{3}{7}{x}^{2} - \frac{1}{28}x - \frac{1}{28}}\right) + C$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:分解分母1+x^4为两个二次因式的乘积
利用恒等式1+x^4 = (1+√2 x + x^2)(1-√2 x + x^2)。
公式:1+x^4 = (1+√2 x + x^2)(1-√2 x + x^2)
提示:注意因式分解的系数,可通过待定系数法验证。
步骤 2/5
目标:将1/(1+x^4)分解为部分分式之和
设1/(1+x^4) = (Ax+B)/(1+√2 x + x^2) + (Cx+D)/(1-√2 x + x^2),通分后比较分子系数,解得A=1/(2√2), B=1/2, C=-1/(2√2), D=1/2。
公式:1/(1+x^4) = (x/(2√2) + 1/2)/(1+√2 x + x^2) + (-x/(2√2) + 1/2)/(1-√2 x + x^2)
提示:注意分子是一次式,分母是二次式。
步骤 3/5
目标:分别积分两个部分分式
对第一个积分:∫ (x/(2√2) + 1/2)/(1+√2 x + x^2) dx,将分母配方为(x+√2/2)^2+1/2,分子拆分为(x+√2/2)和常数项,分别积分得到(1/(4√2))ln(1+√2 x+x^2) + (1/(2√2))arctan(√2 x+1) + C1。类似地,第二个积分得到(-1/(4√2))ln(1-√2 x+x^2) + (1/(2√2))arctan(√2 x-1) + C2。
公式:∫ dx/(1+x^4) = (1/(4√2))ln((1+√2 x+x^2)/(1-√2 x+x^2)) + (1/(2√2))[arctan(√2 x+1) + arctan(√2 x-1)] + C
提示:注意配方法和积分公式∫ dx/(x^2+a^2)=1/a arctan(x/a)。
步骤 4/5
目标:化简结果
利用arctan的和公式:arctan(√2 x+1) + arctan(√2 x-1) = arctan(√2 x/(1-x^2)),得到最终表达式。
公式:I = (1/(4√2))ln((1+√2 x+x^2)/(1-√2 x+x^2)) + (1/(2√2))arctan(√2 x/(1-x^2)) + C
提示:注意定义域,x≠±1。
步骤 5/5
目标:求J = ∫ x^2/(1+x^4) dx
利用I的结果,注意到∫ (1+x^2)/(1+x^4) dx = ∫ (1/(1+x^4) + x^2/(1+x^4)) dx = I + J,而(1+x^2)/(1+x^4)可分解为1/(x^2+√2 x+1) + 1/(x^2-√2 x+1),积分后得到J = (1/(4√2))ln((1+√2 x+x^2)/(1-√2 x+x^2)) - (1/(2√2))arctan(√2 x/(1-x^2)) + C。
公式:J = (1/(4√2))ln((1+√2 x+x^2)/(1-√2 x+x^2)) - (1/(2√2))arctan(√2 x/(1-x^2)) + C
提示:也可直接对x^2/(1+x^4)进行部分分式分解,类似I的步骤。

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