kaoyan2advanced 高等数学 第35题

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📝 题目

### 第35题

$\displaystyle \int \frac{1}{\cos ^{2} x \sin ^{4} x} \mathrm{~d} x=$ $\_\_\_\_$ .$

建衩谷题时问 $\leqslant 5 \mathrm{~min}

💡 答案解析

**答案**:$\displaystyle \frac{1}{3}\tan^{3}x + \frac{2}{\tan x} - \frac{1}{3\tan^{3}x} + C$ **解析**:步骤1:原积分$\displaystyle \int \frac{1}{\cos^{2}x \sin^{4}x}dx = \int \frac{1}{\cos^{2}x} \cdot \frac{1}{\sin^{4}x}dx = \int \sec^{2}x \csc^{4}x dx$。步骤2:令$u=\tan x$,则$du=\sec^{2}x dx$,$\displaystyle \csc^{2}x=1+\cot^{2}x=1+\frac{1}{u^{2}}$,$\displaystyle \csc^{4}x=(1+\frac{1}{u^{2}})^{2}$,积分化为$\displaystyle \int (1+\frac{1}{u^{2}})^{2} du = \int (1+\frac{2}{u^{2}}+\frac{1}{u^{4}})du = u - \frac{2}{u} - \frac{1}{3u^{3}} + C$。步骤3:回代$u=\tan x$,得$\displaystyle \tan x - 2\cot x - \frac{1}{3}\cot^{3}x + C = \frac{1}{3}\tan^{3}x + \frac{2}{\tan x} - \frac{1}{3\tan^{3}x} + C$。 **难度**:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:化简被积函数
原积分 $\displaystyle \int \frac{1}{\cos^{2}x \sin^{4}x} \mathrm{d}x = \int \frac{1}{\cos^{2}x} \cdot \frac{1}{\sin^{4}x} \mathrm{d}x = \int \sec^{2}x \csc^{4}x \mathrm{d}x$
提示:注意三角恒等变形与积分技巧
步骤 2/5
目标:换元积分
令 $u = \tan x$,则 $\mathrm{d}u = \sec^{2}x \mathrm{d}x$。由 $\csc^{2}x = 1 + \cot^{2}x = 1 + \frac{1}{u^{2}}$,得 $\csc^{4}x = \left(1 + \frac{1}{u^{2}}\right)^{2}$。积分化为 $\displaystyle \int \left(1 + \frac{1}{u^{2}}\right)^{2} \mathrm{d}u = \int \left(1 + \frac{2}{u^{2}} + \frac{1}{u^{4}}\right) \mathrm{d}u$
公式:$$\int \frac{1}{\cos^2 x \sin^4 x} dx = \int \csc^4 x \sec^2 x dx$$
提示:注意换元后积分限的变化
步骤 3/5
目标:计算积分
$\displaystyle \int \left(1 + \frac{2}{u^{2}} + \frac{1}{u^{4}}\right) \mathrm{d}u = u - \frac{2}{u} - \frac{1}{3u^{3}} + C$
公式:$$\int \left(1 + \frac{2}{u^{2}} + \frac{1}{u^{4}}\right) \mathrm{d}u = u - \frac{2}{u} - \frac{1}{3u^{3}} + C$$
提示:注意幂函数积分公式的应用
步骤 4/5
目标:回代变量
将 $u = \tan x$ 代入,得 $\displaystyle \tan x - 2\cot x - \frac{1}{3}\cot^{3}x + C$
提示:注意cotx的积分公式
步骤 5/5
目标:化简结果
利用 $\cot x = \frac{1}{\tan x}$,化简为 $\displaystyle \frac{1}{3}\tan^{3}x + \frac{2}{\tan x} - \frac{1}{3\tan^{3}x} + C$
提示:注意化简时保持积分常数C

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