题目
5. 求不定积分 int (dx)/(sqrt[3]((x+1)^2 (x-1)^4)).
5. 求不定积分 $\int \frac{dx}{\sqrt[3]{(x+1)^2 (x-1)^4}}$.
题目解答
答案
令 $x = \frac{1 + t}{1 - t}$,则 $dx = \frac{2}{(1 - t)^2} \, dt$。代入得
$\int \frac{dx}{\sqrt[3]{(x+1)^2 (x-1)^4}} = \int \frac{(1 - t)^2}{4t^{4/3}} \cdot \frac{2}{(1 - t)^2} \, dt = \frac{1}{2} \int t^{-4/3} \, dt = -\frac{3}{2} t^{-1/3} + C.$
将 $t = \frac{x - 1}{x + 1}$ 代回,得
$-\frac{3}{2} \left( \frac{x - 1}{x + 1} \right)^{-1/3} + C = -\frac{3}{2} \sqrt[3]{\frac{x + 1}{x - 1}} + C.$
答案:
$\boxed{-\frac{3}{2} \sqrt[3]{\frac{x + 1}{x - 1}} + C}$
解析
本题考查不定积分的计算,解题思路是通过换元法将被积函数化简,然后再进行积分运算。
- 换元:
令$x = \frac{1 + t}{1 - t}$,对$x$求关于$t$的导数,根据除法求导公式$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,其中$u = 1 + t$,$u^\prime=1$;$v = 1 - t$,$v^\prime=-1$,可得:
$dx=\frac{1\times(1 - t)-(1 + t)\times(-1)}{(1 - t)^2}dt=\frac{1 - t + 1 + t}{(1 - t)^2}dt=\frac{2}{(1 - t)^2}dt$
同时计算$x + 1$和$x - 1$:
$x + 1=\frac{1 + t}{1 - t}+1=\frac{1 + t + 1 - t}{1 - t}=\frac{2}{1 - t}$
$x - 1=\frac{1 + t}{1 - t}-1=\frac{1 + t-(1 - t)}{1 - t}=\frac{2t}{1 - t}$ - 化简被积函数:
将$x + 1=\frac{2}{1 - t}$,$x - 1=\frac{2t}{1 - t}$,$dx=\frac{2}{(1 - t)^2}dt$代入原不定积分$\int \frac{dx}{\sqrt[3]{(x+1)^2 (x-1)^4}}$中,可得:
$\begin{align*} \int \frac{dx}{\sqrt[3]{(x+1)^2 (x-1)^4}}&=\int \frac{\frac{2}{(1 - t)^2}}{\sqrt[3]{(\frac{2}{1 - t})^2 (\frac{2t}{1 - t})^4}}dt\\ &=\int \frac{\frac{2}{(1 - t)^2}}{\sqrt[3]{\frac{4}{(1 - t)^2}\cdot\frac{16t^4}{(1 - t)^4}}}dt\\ &=\int \frac{\frac{2}{(1 - t)^2}}{\sqrt[3]{\frac{64t^4}{(1 - t)^6}}}dt\\ &=\int \frac{\frac{2}{(1 - t)^2}}{\frac{4t^{\frac{4}{3}}}{(1 - t)^2}}dt\\ &=\int \frac{2}{(1 - t)^2}\cdot\frac{(1 - t)^2}{4t^{\frac{4}{3}}}dt\\ &=\frac{1}{2}\int t^{-\frac{4}{3}}dt \end{align*}$ - 计算积分:
根据幂函数积分公式$\int x^n dx=\frac{x^{n + 1}}{n + 1}+C$($n\neq -1$),对$\frac{1}{2}\int t^{-\frac{4}{3}}dt$进行积分:
$\frac{1}{2}\int t^{-\frac{4}{3}}dt=\frac{1}{2}\cdot\frac{t^{-\frac{4}{3}+1}}{-\frac{4}{3}+1}+C=\frac{1}{2}\cdot\frac{t^{-\frac{1}{3}}}{-\frac{1}{3}}+C=-\frac{3}{2}t^{-\frac{1}{3}}+C$ - 回代:
由$x = \frac{1 + t}{1 - t}$,解出$t$:
$x(1 - t)=1 + t\\ x - xt = 1 + t\\ x - 1 = t + xt\\ x - 1 = t(1 + x)\\ t=\frac{x - 1}{x + 1}$
将$t = \frac{x - 1}{x + 1}$代回$-\frac{3}{2}t^{-\frac{1}{3}}+C$中,可得:
$-\frac{3}{2}(\frac{x - 1}{x + 1})^{-\frac{1}{3}}+C=-\frac{3}{2}\sqrt[3]{\frac{x + 1}{x - 1}}+C$