(24) int dfrac (sqrt {{x)^2-4}}(x)dx

题目解答
答案

解析
本题考查不定积分的计算,具体为含二次根式$\sqrt{x^2 - a^2}$的积分,通常使用三角换元法求解。
步骤1:选择三角换元
被积函数为$\sqrt{x^2 - 4}$,属于$\sqrt{x{x^2 - a^2}$型($a=2$),令$x = 2\sec t$($0 < t < \frac{\pi}{2}$或$\frac{\pi}{2} < t < \pi$),则:
$dx = 2\sec t \tan t dt$
$\sqrt{x^2 - 4} = \sqrt{4\sec^2 t - 4} = 2\tan t$
步骤2:代入积分化简
$\int \sqrt{x^2 - 4}dx = \int 2\tan t \cdot 2\sec t \tan t dt = 4\int \tan^2 t \sec t dt$
利用$\tan^2 t = \sec^2 t - 1$,拆分:
$= 4\int (\sec^3 t - \sec t)dt$
步骤3:计算$\int \sec^3 t dt$(分部积分)
设$u = \sec t$,$dv = \{sec t dt$,则$du = \sec t \tan t dt$,$v = \tan t$:
$\int \sec^3 t dt = \sec t \tan t - \int \sec t \tan^2 t dt$
$= \tan^2 t = \sec^2 t - 1\),得:\[
\int \sec^3 t dt = \sec t \tan t - \int \sec^3 t dt + \int \sec t dt$
移项解得:
$\int \sec^3 t dt = \frac{1}{2}(\sec t \tan t + \ln|\sec t + \tan t|$
步骤4:合并结果
$4\int (\sec^3 t - \sec t)dt = 4\left[ \frac{1}{2}(\sec t \tan t + \ln|\sec t + \tan t|) - \ln|\sec t + \tan t|\right) + C$
化简:
$= 2\sec t \tan t - 2\ln|\sec t + \tan t| + C$
步骤5:回代$x = 2\sec t$
$\sec t = \frac{x}{2}$,$\tan t = \frac{\sqrt{x^2 - 4}}{2}$,代入得: $\int \sqrt{x^2 - 4}dx = \frac{1}{2}x\sqrt{x^2 - 4} - 2\ln\left|x + \sqrt{x^2 -4}\right| + C$