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数学
题目

13. int dfrac (-{x)^2-2}({({x)^2+x+1)}^2}dx

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查分式函数的不定积分计算,涉及分部积分法、代换法以及分式分解技巧。
解题思路:

  1. 分式拆分:将被积函数拆分为两个更简单的分式之和,便于分别处理。
  2. 导数关联:利用分母的导数简化积分,例如将分子与分母的导数相关联,构造分部积分形式。
  3. 变量代换:通过配方法将二次多项式转化为标准形式(如 $u^2 + a^2$),应用已知积分公式。
  4. 组合结果:将各部分积分结果合并,化简得到最终答案。

原积分:
$\int \frac{-x^2 - 2}{(x^2 + x + 1)^2} \, dx$

步骤1:分式拆分

将被积函数拆分为两部分:
$\frac{-x^2 - 2}{(x^2 + x + 1)^2} = -\frac{1}{x^2 + x + 1} + \frac{x - 1}{(x^2 + x + 1)^2}$

步骤2:处理第一部分积分

$-\int \frac{1}{x^2 + x + 1} \, dx$
通过配方法,令 $u = x + \frac{1}{2}$,则 $x^2 + x + 1 = u^2 + \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right)^2$,积分转化为:
$-\int \frac{1}{u^2 + a^2} \, du \quad \text{(其中 $a = \frac{\sqrt{3}}{2}$)}$
结果为:
$-\frac{1}{a} \arctan \frac{u}{a} + C_1 = -\frac{4}{\sqrt{3}} \arctan \frac{2x + 1}{\sqrt{3}} + C_1$

步骤3:处理第二部分积分

$\int \frac{x - 1}{(x^2 + x + 1)^2} \, dx$
利用分母的导数 $d(x^2 + x + 1) = (2x + 1) \, dx$,将分子调整为:
$x - 1 = \frac{1}{2}(2x + 1) - \frac{3}{2}$
积分拆分为:
$\frac{1}{2} \int \frac{d(x^2 + x + 1)}{(x^2 + x + 1)^2} - \frac{3}{2} \int \frac{1}{(x^2 + x + 1)^2} \, dx$
第一项直接积分得:
$-\frac{1}{2(x^2 + x + 1)}$
第二项通过代换 $u = x + \frac{1}{2}$,转化为:
$\int \frac{1}{(u^2 + a^2)^2} \, du = \frac{u}{2a^2(u^2 + a^2)} + \frac{1}{2a^2} \cdot \frac{1}{a} \arctan \frac{u}{a}$
代入后化简,最终得到:
$-\frac{3}{4a^2} \cdot \frac{2x + 1}{x^2 + x + 1} - \frac{3}{4a^3} \arctan \frac{2x + 1}{\sqrt{3}}$

步骤4:合并所有结果

将各部分结果合并并化简,最终得到:
$-\frac{x + 1}{x^2 + x + 1} - \frac{4}{\sqrt{3}} \arctan \frac{2x + 1}{\sqrt{3}} + C$

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