求下列不定积分:-|||-14. int dfrac (dx)(3+{sin )^2x}

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查不定积分的计算,特别是利用分部积分法和三角恒等式进行变量代换的能力。
解题核心思路:
- 分部积分法:通过将积分表达式转换为关于$\cot x$的函数,利用$\cot x$的导数为$-\csc^2 x$,简化积分形式。
- 变量代换:令$u = \cot x$,将原积分转化为关于$u$的有理分式积分。
- 标准积分公式:利用$\int \frac{du}{a^2 + u^2} = \frac{1}{a} \arctan \frac{u}{a} + C$完成最终计算。
破题关键点:
- 识别分母结构:将分母$3 + \sin^2 x$与$\csc^2 x$结合,通过三角恒等式$\csc^2 x = 1 + \cot^2 x$进行变形。
- 灵活应用代换:通过$\cot x$的导数建立$dx$与$du$的关系,简化积分表达式。
步骤1:分部积分法转换积分形式
原积分:
$\int \frac{dx}{3 + \sin^2 x}$
利用$\cot x$的导数$d(\cot x) = -\csc^2 x \, dx$,将$dx$表示为:
$dx = -\frac{d(\cot x)}{\csc^2 x}$
代入原积分:
$\int \frac{-d(\cot x)}{\csc^2 x \cdot (3 + \sin^2 x)}$
步骤2:化简分母
将分母中的$\csc^2 x \cdot (3 + \sin^2 x)$展开:
$\csc^2 x \cdot (3 + \sin^2 x) = 3 \csc^2 x + 1$
利用$\csc^2 x = 1 + \cot^2 x$,得:
$3(1 + \cot^2 x) + 1 = 3\cot^2 x + 4$
积分变为:
$-\int \frac{d(\cot x)}{3\cot^2 x + 4}$
步骤3:变量代换
令$u = \cot x$,则$du = -\csc^2 x \, dx$,积分简化为:
$-\int \frac{du}{3u^2 + 4}$
步骤4:应用标准积分公式
积分$\int \frac{du}{3u^2 + 4}$可变形为:
$\frac{1}{3} \int \frac{du}{u^2 + \left( \frac{2}{\sqrt{3}} \right)^2}$
根据公式$\int \frac{du}{a^2 + u^2} = \frac{1}{a} \arctan \frac{u}{a} + C$,得:
$\frac{1}{3} \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} \arctan \left( \frac{\sqrt{3}u}{2} \right) + C = \frac{1}{2\sqrt{3}} \arctan \left( \frac{\sqrt{3}u}{2} \right) + C$
步骤5:回代变量并整理符号
将$u = \cot x$代入,并保留负号:
$-\frac{1}{2\sqrt{3}} \arctan \left( \frac{\sqrt{3}\cot x}{2} \right) + C$