几种基本形式的积分
在计算积分时通常会出现以下几种形式的积分:
I1=∫a2x2+b2dxI3=∫a2x2±b2dxI5=∫a2x2±b2dxI2=∫a2x2−b2dxI4=∫b2−a2x2dxI6=∫b2−a2x2dx
本文将对这几种积分的结果进行推导。
逐个求解
先来看最简单的 I1 和 I2:
I1I2=∫a2x2+b2dx=∫b2(1+(bax)2)abd(bax)=ab1arctanbax+C=∫a2x2−b2dx=∫2b1(ax−b1−ax+b1)dx=2b1[a1ln∣ax−b∣−a1ln∣ax+b∣]=2ab1lnax+bax−b+C
这两个积分均不需要换元就能积出。
对于 I3=∫a2x2±b2dx,我们应该分两种情况考虑:
I3+I3−=∫a2x2+b2dxx=absinht∫bcoshtabcoshtdt=at=a1sinh−1bax=a1ln(bax+(bax)2+1)=a1ln(ax+ax2+b2)−a1lnb=a1ln(ax+ax2+b2)+C=∫a2x2−b2dxx=abcosht∫bsinhtabsinhtdt=at=a1cosh−1bax=a1ln(ax+a2x2−b2)+C
于是
I3=a1ln(ax+a2x2±b2)+C
反双曲函数
因为
y⇒x=sinhx=2ex−e−x=sinh−1y
满足
e2x−2yex−1=0
用求根公式(舍负值)解得
ex=22y±4y2+4=y+y2+1
取对数,x=ln(y+y2+1) ,即
sinh−1y=ln(y+y2+1)
同理有 cosh−1y=ln(y+y2−1)
三角换元
如果不熟悉双曲函数也可以用三角函数:
I3+=∫a2x2+b2dxx=abtant∫bsectabsec2tdt=a1∫sectdt=a1ln∣sect+tant∣=a1ln1+(bax)2+bax=a1ln(ax+a2x2+b2)+C
I3−=∫a2x2−b2dxx=absect∫btantabsecttantdt=a1∫sectdt=a1ln∣sect+tant∣=a1lnbax+(bax)2−1=a1ln(ax+a2x2−b2)+C
I4 也比较简单,凑微分可得
I4=∫b2−a2x2dx=∫b1−(bax)2abd(bax)=a1arcsinbax+C
最后两个,用分部积分法可化为之前求过的积分:
I5=∫a2x2±b2dx=xa2x2±b2−∫2a2x2±b22a2x2dx=xa2x2±b2−∫a2x2±b2a2x2±b2∓b2dx=xa2x2±b2−I5±b2I3=2xa2x2±b2±2ab2ln(ax+a2x2±b2)+C
I6=∫b2−a2x2dx=xb2−a2x2−∫2b2−a2x2−2a2x2dx=xb2−a2x2−∫b2−a2x2(b2−a2x2)−b2dx=xb2−a2x2−I6+b2I4=2xb2−a2x2+2ab2arcsinbax+C
总结
以下 8 个积分(6 个公式)可直接使用:
∫a2x2+b2dx∫a2x2−b2dx=ab1arctanbax+C=2ab1lnax+bax−b+C
∫a2x2±b2dx∫b2−a2x2dx=a1ln(ax+a2x2±b2)+C=a1arcsinbax+C
∫a2x2±b2dx∫b2−a2x2dx=2xa2x2±b2±2ab2ln(ax+a2x2±b2)+C=2xb2−a2x2+2ab2arcsinbax+C