方企勤 第三章 一元函数积分学 第18题

教材习题

📝 题目

例 18 试利用公式

$$ \int \left( {f\left( x\right) + {f}^{\prime }\left( x\right) }\right) {\mathrm{e}}^{x}\mathrm{\;d}x = \int {\left( {\mathrm{e}}^{x}f\left( x\right) \right) }^{\prime }\mathrm{d}x = {\mathrm{e}}^{x}f\left( x\right) + C $$

求下列不定积分:

(1) $\displaystyle \int \frac{x{\mathrm{e}}^{x}}{{\left( 1 + x\right) }^{2}}\mathrm{\;d}x$ ; (2) $\displaystyle{\int \frac{1 + \sin x}{1 + \cos x}{\mathrm{e}}^{x}\mathrm{\;d}x}$ .

💡 答案解析

解 (1) 原式 $= \int \frac{x + 1 - 1}{{\left( 1 + x\right) }^{2}}{\mathrm{e}}^{x}\mathrm{\;d}x = \int \left\lbrack {\frac{1}{1 + x} + {\left( \frac{1}{1 + x}\right) }^{\prime }}\right\rbrack {\mathrm{e}}^{x}\mathrm{\;d}x$

$$ = \frac{{\mathrm{e}}^{x}}{1 + x} + C. $$

(2)原式 $= \int \frac{2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2} + 1}{2{\cos }^{2}\frac{x}{2}}{\mathrm{e}}^{x}\mathrm{\;d}x = \int \left\lbrack {\tan \frac{x}{2} + {\left( \tan \frac{x}{2}\right) }^{\prime }}\right\rbrack {\mathrm{e}}^{x}\mathrm{\;d}x$

$$ = {\mathrm{e}}^{x}\tan \frac{x}{2} + C. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将积分化为公式形式
对于(1),将分子x写成(x+1)-1,从而将被积函数拆分为两项: ∫ (x e^x)/(1+x)^2 dx = ∫ [(x+1-1)/(1+x)^2] e^x dx = ∫ [1/(1+x) - 1/(1+x)^2] e^x dx。 注意到 -1/(1+x)^2 是 1/(1+x) 的导数,即 (1/(1+x))' = -1/(1+x)^2,因此被积函数可写为 [1/(1+x) + (1/(1+x))'] e^x。
公式:∫ [f(x) + f'(x)] e^x dx = e^x f(x) + C
提示:关键是将被积函数凑成 f(x) + f'(x) 的形式,其中 f(x) = 1/(1+x)。
步骤 2/4
目标:应用公式得到结果
直接应用公式,令 f(x) = 1/(1+x),则积分结果为 e^x * 1/(1+x) + C。
公式:∫ [f(x) + f'(x)] e^x dx = e^x f(x) + C
提示:注意常数C不要遗漏。
步骤 3/4
目标:将积分化为公式形式
对于(2),利用三角恒等式:1+sin x = (sin(x/2) + cos(x/2))^2,1+cos x = 2 cos^2(x/2),但更简单的方法是将分子写成 1+sin x = 2 sin(x/2) cos(x/2) + 1,分母 1+cos x = 2 cos^2(x/2),则被积函数化为: (1+sin x)/(1+cos x) e^x = [2 sin(x/2) cos(x/2) + 1] / [2 cos^2(x/2)] e^x = [tan(x/2) + 1/(2 cos^2(x/2))] e^x。 注意到 1/(2 cos^2(x/2)) 是 tan(x/2) 的导数,即 (tan(x/2))' = 1/(2 cos^2(x/2)),因此被积函数可写为 [tan(x/2) + (tan(x/2))'] e^x。
公式:∫ [f(x) + f'(x)] e^x dx = e^x f(x) + C
提示:利用半角公式简化,并识别出 f(x) = tan(x/2)。
步骤 4/4
目标:应用公式得到结果
直接应用公式,令 f(x) = tan(x/2),则积分结果为 e^x tan(x/2) + C。
公式:∫ [f(x) + f'(x)] e^x dx = e^x f(x) + C
提示:注意常数C。

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