同济高数 第4章 第4-5-21题

教材习题

📝 题目

21. $\displaystyle{\int} \frac{d x}{x^{2} \sqrt{2 x-1}}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 我们要求解不定积分 $$ \int \frac{dx}{x^{2} \sqrt{2x-1}}. $$

**第一步:变量代换** 令 $$ t = \sqrt{2x-1}, \quad 则 \quad t^{2} = 2x - 1 \quad\Rightarrow\quad x = \frac{t^{2}+1}{2}. $$ 对 $x$ 求微分: $$ dx = t\, dt. $$

**第二步:代入积分** 原积分变为 $$ \int \frac{1}{x^{2} \sqrt{2x-1}}\,dx = \int \frac{1}{\left(\frac{t^{2}+1}{2}\right)^{2} \cdot t} \cdot t\, dt = \int \frac{1}{\frac{(t^{2}+1)^{2}}{4}} \, dt = 4 \int \frac{dt}{(t^{2}+1)^{2}}. $$

**第三步:计算三角函数积分** 对于 $$ \int \frac{dt}{(t^{2}+1)^{2}}, $$ 令 $t = \tan \theta$,则 $dt = \sec^{2}\theta\, d\theta$,且 $t^{2}+1 = \sec^{2}\theta$,于是 $$ \int \frac{dt}{(t^{2}+1)^{2}} = \int \frac{\sec^{2}\theta}{\sec^{4}\theta}\, d\theta = \int \cos^{2}\theta\, d\theta. $$

**第四步:计算 $\cos^{2}\theta$ 的积分** 利用公式 $\cos^{2}\theta = \frac{1+\cos 2\theta}{2}$,得 $$ \int \cos^{2}\theta\, d\theta = \frac{1}{2}\int (1+\cos 2\theta)\, d\theta = \frac{1}{2}\left( \theta + \frac{1}{2}\sin 2\theta \right) + C. $$ 又因为 $\sin 2\theta = 2\sin\theta\cos\theta$,而 $$ \sin\theta = \frac{t}{\sqrt{1+t^{2}}},\quad \cos\theta = \frac{1}{\sqrt{1+t^{2}}}, $$ 所以 $$ \frac{1}{2}\sin 2\theta = \sin\theta\cos\theta = \frac{t}{1+t^{2}}. $$ 因此 $$ \int \frac{dt}{(t^{2}+1)^{2}} = \frac{1}{2}\left( \arctan t + \frac{t}{1+t^{2}} \right) + C. $$

**第五步:回代** 原积分 $$ 4 \int \frac{dt}{(t^{2}+1)^{2}} = 2\left( \arctan t + \frac{t}{1+t^{2}} \right) + C. $$ 将 $t = \sqrt{2x-1}$ 代回: $$ \int \frac{dx}{x^{2}\sqrt{2x-1}} = 2\left( \arctan \sqrt{2x-1} + \frac{\sqrt{2x-1}}{1+(2x-1)} \right) + C. $$ 注意 $1+(2x-1) = 2x$,所以 $$ \int \frac{dx}{x^{2}\sqrt{2x-1}} = 2\arctan\sqrt{2x-1} + \frac{\sqrt{2x-1}}{x} + C. $$

**最终结果** $$ \boxed{2\arctan\sqrt{2x-1} + \frac{\sqrt{2x-1}}{x} + C}. $$

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:变量代换简化根式
令 t = √(2x-1),则 t² = 2x-1,解得 x = (t²+1)/2,dx = t dt。
公式:t = √(2x-1), x = (t²+1)/2, dx = t dt
提示:当被积函数含有√(ax+b)时,常令t=√(ax+b)进行代换。
步骤 2/6
目标:代入积分表达式
原积分化为 ∫ 1/(((t²+1)/2)² * t) * t dt = ∫ 4/(t²+1)² dt = 4 ∫ dt/(t²+1)²。
公式:∫ dx/(x²√(2x-1)) = 4 ∫ dt/(t²+1)²
提示:注意代换后简化表达式,常数因子可提出。
步骤 3/6
目标:三角代换计算积分
令 t = tanθ,则 dt = sec²θ dθ,t²+1 = sec²θ,积分化为 4 ∫ cos²θ dθ。
公式:t = tanθ, dt = sec²θ dθ, ∫ dt/(t²+1)² = ∫ cos²θ dθ
提示:对于形如∫ dt/(t²+a²)ⁿ的积分,常用三角代换t=a tanθ。
步骤 4/6
目标:计算cos²θ积分
∫ cos²θ dθ = ∫ (1+cos2θ)/2 dθ = (1/2)(θ + (1/2)sin2θ) + C = (1/2)(θ + sinθ cosθ) + C。
公式:cos²θ = (1+cos2θ)/2, sin2θ = 2sinθ cosθ
提示:利用倍角公式降幂。
步骤 5/6
目标:回代到t
由t=tanθ得θ=arctan t,sinθ = t/√(1+t²),cosθ = 1/√(1+t²),所以sinθ cosθ = t/(1+t²)。因此∫ dt/(t²+1)² = (1/2)(arctan t + t/(1+t²)) + C。
公式:sinθ cosθ = t/(1+t²)
提示:利用直角三角形或三角恒等式回代。
步骤 6/6
目标:乘以常数并回代x
原积分 = 4 * (1/2)(arctan t + t/(1+t²)) + C = 2(arctan t + t/(1+t²)) + C。将t=√(2x-1)代入,注意1+t²=2x,得2arctan√(2x-1) + √(2x-1)/x + C。
公式:1+t² = 2x
提示:最终结果需化简,分母有理化等。

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