好的,咱们来聊聊真分式里分母有根号的情况,怎么求不定积分。这块儿一开始接触可能会有点绕,但掌握了思路,其实也就能应对了。
核心思想:化繁为简,引入新变量
当分母里有根号时,最直接的感受就是“不爽”,因为它直接干扰了我们常见的积分公式。所以,我们的首要任务就是把这个“不爽”给消除掉,或者至少把它转换成更容易处理的形式。这通常就需要我们引入新的变量,把根号给“吃掉”。
常见类型和处理方法
分母里有根号的真分式,根据根号里表达式的不同,可以大致分为几类,我们逐个来看:
第一类:根号里是线性的,形如 $sqrt{ax+b}$
这是最基础也是最常见的情况。
例子: $int frac{1}{sqrt{2x+3}} dx$
处理思路: 设 $sqrt{ax+b} = u$。
那么 $ax+b = u^2$。
两边对 $x$ 求导,得到 $a = 2u frac{du}{dx}$,所以 $dx = frac{2u}{a} du$。
现在,原积分就变成了关于 $u$ 的表达式,而且没有根号了。
具体操作(以例子为例):
1. 设 $sqrt{2x+3} = u$。
2. 则 $2x+3 = u^2$。
3. 对 $x$ 求导,得 $2 = 2u frac{du}{dx}$,所以 $dx = u , du$。
4. 原积分 $int frac{1}{sqrt{2x+3}} dx$ 变成 $int frac{1}{u} (u , du)$。
5. 化简后就是 $int 1 , du = u + C$。
6. 最后,把 $u$ 用 $sqrt{2x+3}$ 换回来,得到 $sqrt{2x+3} + C$。
再举个稍微复杂点的例子: $int frac{x}{sqrt{x1}} dx$
1. 设 $sqrt{x1} = u$。
2. 则 $x1 = u^2$,所以 $x = u^2+1$。
3. 对 $x$ 求导,得 $1 = 2u frac{du}{dx}$,所以 $dx = 2u , du$。
4. 原积分代入:$int frac{u^2+1}{u} (2u , du)$。
5. 化简得:$int 2(u^2+1) , du = int (2u^2+2) , du$。
6. 积分结果:$frac{2}{3}u^3 + 2u + C$。
7. 换回 $x$:$frac{2}{3}(x1)sqrt{x1} + 2sqrt{x1} + C$。
第二类:根号里是二次式的,且形式比较特殊
这类情况又可以细分,关键在于能否利用三角换元或者其他巧妙的代换将其转化为三角函数积分,或者直接套用某些基本积分公式。
2.1 形如 $sqrt{a^2x^2}$
例子: $int frac{1}{sqrt{4x^2}} dx$
处理思路: 设 $x = a sin heta$。
则 $dx = a cos heta , d heta$。
$sqrt{a^2x^2} = sqrt{a^2 a^2 sin^2 heta} = sqrt{a^2(1sin^2 heta)} = sqrt{a^2 cos^2 heta} = a |cos heta|$。
为了简化,我们通常会限定 $ heta$ 的范围,使得 $cos heta ge 0$,所以 $sqrt{a^2x^2} = a cos heta$。
具体操作(以例子为例):
1. 设 $x = 2 sin heta$(因为 $a^2=4$,所以 $a=2$)。
2. 则 $dx = 2 cos heta , d heta$。
3. $sqrt{4x^2} = sqrt{44sin^2 heta} = sqrt{4cos^2 heta} = 2 cos heta$(假设 $ heta$ 在 $[pi/2, pi/2]$ 范围内,则 $cos heta ge 0$)。
4. 原积分变成:$int frac{1}{2 cos heta} (2 cos heta , d heta)$。
5. 化简得:$int 1 , d heta = heta + C$。
6. 换回 $x$:因为 $x = 2 sin heta$,所以 $sin heta = frac{x}{2}$, $ heta = arcsin(frac{x}{2})$。
7. 最终结果:$arcsin(frac{x}{2}) + C$。
补充: 还有其他形式,比如 $sqrt{x^2+a^2}$,可以设 $x = a an heta$; $sqrt{x^2a^2}$,可以设 $x = a sec heta$。这些都是标准的三角换元。
2.2 形如 $sqrt{ax^2+bx+c}$ (一般二次式)
处理思路: 先把二次项配方,化为 $sqrt{A pm (kx+m)^2}$ 或 $sqrt{(kx+m)^2 pm A}$ 的形式,然后再套用上面的三角换元方法。
具体操作:
1. 配方: 将 $ax^2+bx+c$ 配方,使其变为 $a(x+frac{b}{2a})^2 + (cfrac{b^2}{4a})$ 的形式。
2. 变量替换: 设 $y = x+frac{b}{2a}$,这样根号里的形式就变成了 $a y^2 + d$ 的样子。
3. 根据 $a y^2 + d$ 的符号进行三角换元:
如果形式是 $sqrt{k^2 y^2}$,则 $y = k sin heta$。
如果形式是 $sqrt{y^2 k^2}$,则 $y = k sec heta$。
如果形式是 $sqrt{y^2 + k^2}$,则 $y = k an heta$。
4. 进行三角积分,最后换元回 $x$。
例子: $int frac{1}{sqrt{x^2+2x+5}} dx$
1. 配方: $x^2+2x+5 = (x^2+2x+1) + 4 = (x+1)^2 + 4$。
2. 变量替换: 设 $u = x+1$,则 $du = dx$。
3. 积分变成 $int frac{1}{sqrt{u^2+4}} du$。
4. 三角换元: 设 $u = 2 an heta$(因为是 $u^2+k^2$ 的形式,$k=2$)。
5. 则 $du = 2 sec^2 heta , d heta$。
6. $sqrt{u^2+4} = sqrt{(2 an heta)^2+4} = sqrt{4 an^2 heta+4} = sqrt{4( an^2 heta+1)} = sqrt{4sec^2 heta} = 2 sec heta$ (假设 $ heta$ 在 $(pi/2, pi/2)$ 范围内,$sec heta > 0$)。
7. 积分变成 $int frac{1}{2 sec heta} (2 sec^2 heta , d heta) = int sec heta , d heta$。
8. 积分结果是 $ln|sec heta + an heta| + C$。
9. 换元回 $u$: 由 $u = 2 an heta$,得 $ an heta = frac{u}{2}$。可以通过构造直角三角形或利用 $sec^2 heta = 1+ an^2 heta$ 来找到 $sec heta$。
$sec heta = sqrt{1+ an^2 heta} = sqrt{1+(frac{u}{2})^2} = sqrt{1+frac{u^2}{4}} = frac{sqrt{4+u^2}}{2}$。
所以,积分是 $ln|frac{sqrt{4+u^2}}{2} + frac{u}{2}| + C = ln|frac{sqrt{4+u^2}+u}{2}| + C = ln|sqrt{4+u^2}+u| ln 2 + C$。因为常数可以合并,可以写成 $ln|sqrt{4+u^2}+u| + C'$。
10. 换元回 $x$: 将 $u = x+1$ 代入,得到 $ln|sqrt{4+(x+1)^2}+(x+1)| + C'$。
11. 化简一下里面的根号:$sqrt{4+(x+1)^2} = sqrt{4+x^2+2x+1} = sqrt{x^2+2x+5}$。
12. 最终结果:$ln|sqrt{x^2+2x+5} + x+1| + C$。
第三类:根号里是两个线性因子或更复杂的形式
处理思路:
有理化: 如果根号是 $sqrt{A} sqrt{B}$ 或 $sqrt{A} + sqrt{B}$ 的形式,可以尝试乘以其共轭式来有理化分母。
欧拉换元: 对于形如 $sqrt{ax^2+bx+c}$ 的表达式,如果上述方法不便,可以尝试使用欧拉换元法,比如令 $sqrt{ax^2+bx+c} = txsqrt{a}$ (当 $a>0$) 或 $sqrt{ax^2+bx+c} = tsqrt{xx_1}$ (当二次式有实根 $x_1$时) 等。欧拉换元法比较通用但计算量可能较大,需要谨慎使用。
复数换元: 有时候,特别是在处理复数积分时,会用到复数换元。但在实数积分的范畴内,一般不作为首选。
举例说明(有理化): $int frac{1}{sqrt{x+1}+sqrt{x1}} dx$
1. 乘以共轭式: 分子分母同乘以 $(sqrt{x+1}sqrt{x1})$。
2. 原式 $= int frac{sqrt{x+1}sqrt{x1}}{(sqrt{x+1}+sqrt{x1})(sqrt{x+1}sqrt{x1})} dx$
3. $= int frac{sqrt{x+1}sqrt{x1}}{(x+1)(x1)} dx = int frac{sqrt{x+1}sqrt{x1}}{2} dx$
4. $= frac{1}{2} int (sqrt{x+1}sqrt{x1}) dx$
5. 这是两个简单的线性根号积分,可以分别处理:
$int sqrt{x+1} dx = frac{(x+1)^{3/2}}{3/2} = frac{2}{3}(x+1)^{3/2}$
$int sqrt{x1} dx = frac{(x1)^{3/2}}{3/2} = frac{2}{3}(x1)^{3/2}$
6. 最终结果:$frac{1}{2} left( frac{2}{3}(x+1)^{3/2} frac{2}{3}(x1)^{3/2}
ight) + C = frac{1}{3}((x+1)^{3/2} (x1)^{3/2}) + C$。
一些重要的提示和技巧:
1. 观察被积函数: 在动手之前,花点时间看看根号里的结构是什么样的。是线性的?是完全平方的?是可配方的二次式?这决定了你的第一步该怎么走。
2. 熟记基本积分公式: 对于三角换元后的 $int sec heta d heta$, $int an heta d heta$ 等基本积分,以及关于 $sqrt{a^2 pm x^2}$, $sqrt{x^2 pm a^2}$ 的积分公式,要非常熟悉。
3. 换元后的细节: 每次换元后,都要确保所有关于 $x$ 的量都变成了关于新变量的量(包括 $dx$),而且最终计算完成后,一定要把新变量换回原来的变量 $x$。
4. 常数的合并: 在换元过程中出现的常数,如果它只是一个加减或乘除的常数(比如 $ln 2$),常常可以和积分常数 $C$ 合并掉。
5. 三角函数的图像和性质: 熟悉三角函数的定义域、值域、奇偶性以及平方关系(如 $sin^2 heta+cos^2 heta=1$)对于三角换元至关重要。
6. 练习,练习,再练习: 这类问题没有捷径,只有通过大量的练习才能熟练掌握各种情况的处理方法。遇到不会的题目,别急着看答案,先自己尝试分析和推导。
总的来说,分母有根号的真分式积分,核心就是通过换元(主要是三角换元和线性代换)来“消灭”根号,或者将其转化为已知的积分形式。每种形式都有其对应的处理套路,关键在于识别和应用。