计算不定积分int dfrac (1)({x)^2sqrt ({x)^2+1}}dx。
计算不定积分
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题目解答
答案
已知不定积分
,令
,则
,则

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解析
考查要点:本题主要考查不定积分的计算,特别是通过三角替换法处理含有$\sqrt{x^2+1}$的有理函数积分。
解题核心思路:
当积分中出现$\sqrt{x^2+a^2}$形式时,常用三角替换(令$x = a\tan t$)。本题中,通过令$x = \tan t$,将根号部分转化为$\sec t$,简化积分表达式。随后通过变量替换和分部积分,最终将结果转换回原变量$x$。
破题关键点:
- 正确选择三角替换:令$x = \tan t$,则$\sqrt{x^2+1} = \sec t$,$dx = \sec^2 t \, dt$。
- 化简积分表达式:将原积分转化为关于$t$的三角函数积分,利用三角恒等式简化运算。
- 反三角函数转换:通过构造直角三角形,将积分结果中的三角函数表达式转换为关于$x$的形式。
步骤1:三角替换
令$x = \tan t$,则$dx = \sec^2 t \, dt$,且$\sqrt{x^2+1} = \sec t$。代入原积分:
$\int \frac{1}{x^2 \sqrt{x^2+1}} dx = \int \frac{\sec^2 t \, dt}{\tan^2 t \cdot \sec t} = \int \frac{\sec t \, dt}{\tan^2 t}.$
步骤2:化简三角函数表达式
利用$\sec t = \frac{1}{\cos t}$和$\tan t = \frac{\sin t}{\cos t}$,得:
$\int \frac{\sec t}{\tan^2 t} dt = \int \frac{\frac{1}{\cos t}}{\frac{\sin^2 t}{\cos^2 t}} dt = \int \frac{\cos t}{\sin^2 t} dt.$
步骤3:变量替换积分
令$u = \sin t$,则$du = \cos t \, dt$,积分变为:
$\int \frac{du}{u^2} = -\frac{1}{u} + C = -\frac{1}{\sin t} + C.$
步骤4:反三角函数转换
由$x = \tan t$,构造直角三角形,其中对边为$x$,邻边为$1$,斜边为$\sqrt{x^2+1}$,故$\sin t = \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}$。代入得:
$-\frac{1}{\sin t} + C = -\frac{\sqrt{x^2+1}}{x} + C = -\sqrt{\frac{x^2+1}{x}} + C.$