方企勤 第三章 一元函数积分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 求不定积分 $\displaystyle{\int \frac{\mathrm{d}x}{2 + {\tan }^{2}x}}$ .

💡 答案解析

解法 1

$$ \text{ 原式 } = \int \frac{{\cos }^{2}x}{1 + {\cos }^{2}x}\mathrm{\;d}x = \int \frac{{\cos }^{2}x + 1 - 1}{1 + {\cos }^{2}x}\mathrm{\;d}x $$

$$ = x - \int \frac{1}{1 + {\cos }^{2}x}\mathrm{\;d}x = x - \int \frac{{\sec }^{2}x}{2 + {\tan }^{2}x}\mathrm{\;d}x $$

$$ = x - \int \frac{\mathrm{d}\tan x}{2 + {\tan }^{2}x} = x - \frac{1}{\sqrt{2}}\arctan \frac{\tan x}{\sqrt{2}} + C. $$

解法 2

$$ \text{ 原式 } = \int \frac{{\sec }^{2}x}{\left( {2 + {\tan }^{2}x}\right) \left( {1 + {\tan }^{2}x}\right) }\mathrm{d}x $$

$$ \overset{u = \tan x}{ = }\int \frac{1}{\left( {{u}^{2} + 1}\right) \left( {{u}^{2} + 2}\right) }\mathrm{d}u $$

$$ = \int \left( {\frac{1}{{u}^{2} + 1} - \frac{1}{{u}^{2} + 2}}\right) \mathrm{d}u $$

$$ = \arctan u - \frac{1}{2}\sqrt{2}\arctan \frac{1}{2}u\sqrt{2} + C $$

$$ = x - \frac{1}{\sqrt{2}}\arctan \frac{\tan x}{\sqrt{2}} + C. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:将原积分转化为关于余弦的形式
利用 tan²x = sin²x/cos²x,将分母化为 2 + sin²x/cos²x = (2cos²x + sin²x)/cos²x = (cos²x + 1)/cos²x,因此原积分 = ∫ cos²x/(1+cos²x) dx。
公式:tan²x = sin²x/cos²x
提示:分子分母同乘 cos²x 简化。
步骤 2/5
目标:将分子拆分为分母加常数
将 cos²x 写成 (1+cos²x) - 1,则积分 = ∫ (1 - 1/(1+cos²x)) dx = x - ∫ 1/(1+cos²x) dx。
公式:∫ dx = x
提示:拆分后简化积分。
步骤 3/5
目标:将剩余积分转化为关于 tanx 的形式
分子分母同乘 sec²x,得到 ∫ sec²x/(2+tan²x) dx,因为 sec²x dx = d(tanx)。
公式:sec²x dx = d(tanx)
提示:利用微分形式不变性。
步骤 4/5
目标:计算积分
令 u = tanx,则积分 = ∫ du/(2+u²) = (1/√2) arctan(u/√2) + C。
公式:∫ du/(a²+u²) = (1/a) arctan(u/a) + C
提示:注意系数。
步骤 5/5
目标:合并结果
原积分 = x - (1/√2) arctan(tanx/√2) + C。

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