题目
4. int (x+5)/(sqrt (x^2)-6x+13)dx= ___.
4. $\int \frac {x+5}{\sqrt {x^{2}-6x+13}}dx=$ ___.
题目解答
答案
对积分 $\int \frac{x+5}{\sqrt{x^2-6x+13}} \, dx$,首先配方分母得:
\[
\int \frac{x+5}{\sqrt{(x-3)^2+4}} \, dx.
\]
令 $u = x-3$,则 $du = dx$,积分变为:
\[
\int \frac{u+8}{\sqrt{u^2+4}} \, du = \int \frac{u}{\sqrt{u^2+4}} \, du + \int \frac{8}{\sqrt{u^2+4}} \, du.
\]
第一个积分用换元 $v = u^2+4$,得:
\[
\int \frac{u}{\sqrt{u^2+4}} \, du = \sqrt{u^2+4} + C_1.
\]
第二个积分用公式 $\int \frac{1}{\sqrt{u^2+a^2}} \, du = \ln|u + \sqrt{u^2+a^2}| + C$,得:
\[
\int \frac{8}{\sqrt{u^2+4}} \, du = 8\ln|u + \sqrt{u^2+4}| + C_2.
\]
合并得:
\[
\sqrt{u^2+4} + 8\ln|u + \sqrt{u^2+4}| + C.
\]
代回 $u = x-3$,得:
\[
\boxed{\sqrt{x^2-6x+13}+8\ln\left|x-3+\sqrt{x^2-6x+13}\right|+C}.
\]
解析
本题考查不定积分的计算,解题思路是先对被积函数分母进行配方,然后通过换元法将积分化简,再分别对化简后的两个积分进行计算,最后将结果代回原变量。
- 对分母进行配方:
对于分母$x^{2}-6x + 13$,根据完全平方公式$(a - b)^2=a^2 - 2ab + b^2$,可将其变形为$x^{2}-6x + 9 + 4=(x - 3)^{2}+4$,则原积分变为$\int \frac{x + 5}{\sqrt{(x - 3)^{2}+4}}dx$。 - 换元:
令$u = x - 3$,则$x = u + 3$,$du = dx$。将其代入上式可得:
$\int \frac{u + 3 + 5}{\sqrt{u^{2}+4}}du=\int \frac{u + 8}{\sqrt{u^{2}+4}}du$
根据积分的加法法则$\int [f(x)+g(x)]dx=\int f(x)dx+\int g(x)dx$,进一步将上式拆分为$\int \frac{u}{\sqrt{u^{2}+4}}du+\int \frac{8}{\sqrt{u^{2}+4}}du$。 - 计算$\int \frac{u}{\sqrt{u^{2}+4}}du$:
令$v = u^{2}+4$,则$dv = 2udu$,即$udu=\frac{1}{2}dv$。
将其代入$\int \frac{u}{\sqrt{u^{2}+4}}du$可得:
$\int \frac{u}{\sqrt{u^{2}+4}}du=\int \frac{1}{\sqrt{v}}\cdot\frac{1}{2}dv=\frac{1}{2}\int v^{-\frac{1}{2}}dv$
根据幂函数积分公式$\int x^n dx=\frac{x^{n + 1}}{n + 1}+C(n\neq -1)$,可得:
$\frac{1}{2}\int v^{-\frac{1}{2}}dv=\frac{1}{2}\cdot\frac{v^{\frac{1}{2}}}{\frac{1}{2}}+C_1=\sqrt{v}+C_1$
再将$v = u^{2}+4$代回,得到$\sqrt{u^{2}+4}+C_1$。 - 计算$\int \frac{8}{\sqrt{u^{2}+4}}du$:
根据积分公式$\int \frac{1}{\sqrt{u^{2}+a^{2}}}du=\ln|u+\sqrt{u^{2}+a^{2}}|+C$(其中$a = 2$),可得:
$\int \frac{8}{\sqrt{u^{2}+4}}du=8\int \frac{1}{\sqrt{u^{2}+2^{2}}}du=8\ln|u+\sqrt{u^{2}+4}|+C_2$ - 合并结果:
将上述两个积分的结果相加,可得:
$\int \frac{u + 8}{\sqrt{u^{2}+4}}du=\sqrt{u^{2}+4}+8\ln|u+\sqrt{u^{2}+4}|+C$($C = C_1 + C_2$) - 代回原变量:
将$u = x - 3$代回上式,得到:
$\sqrt{(x - 3)^{2}+4}+8\ln|x - 3+\sqrt{(x - 3)^{2}+4}|+C=\sqrt{x^{2}-6x + 13}+8\ln|x - 3+\sqrt{x^{2}-6x + 13}|+C$