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请问这个积分可以求出来吗?

2021-06-06知识

事实上,对于另一位答主给的解答,我是很有些讶异的,没有看懂第一步,虽然我们的最终结果是一样的。我决计要写一写我的方法,倒也不是我的方法大约的确就会简单些,至少我自己,跟能理解,同时也为解决这道题提供另一条死路。博学的大佬或许会批评我太垃圾了,这也罢,随他去吧。

设我们的所求积分为 \color{red}{\mathscr{I}}=\int\frac{x}{\tan^2x}dx ,这道题,我们考虑使用组合积分法。我想找一个与之配对的积分,能把分母上 \tan x 约掉或者是尽量约,还想无论加减这两个积分,都使积分变得稍微简单一些,于是我找到了积分 \color{green}{\mathscr{U}}=\int\frac{2\tan x-x}{\tan^2x}dx 。

我们来组合一下试试。 \color{green}{\mathscr{U}}+\color{red}{\mathscr{I}}=\int\frac{2}{\tan x}dx=2\ln|\sin x|+C \color{green}{\mathscr{U}}-\color{red}{\mathscr{I}}=\int\frac{2\tan x-2x}{\tan^2x}dx ,第一个式子很简单,但是第二个式子比较麻烦,拆开做也不行,不信可以试。

那咋办?

我令 \color{blue}{\mathscr{J}}=\color{green}{\mathscr{U}}-\color{red}{\mathscr{I}}=\int\frac{2\tan x-2x}{\tan^2x}dx=\int\left( \frac{2}{\tan x}-\frac{2x}{\tan^2x} \right)dx ,现在要计算这个积分的值,感觉还更难了~~~没关系,在哪里跌倒,就要从哪里爬起来。我们再次考虑组合积分法

我找到 \color{purple}{\mathscr{K}}=\int\left( \frac{2}{\tan x}-\frac{2x}{\sin^2x}-2x \right)dx

我们来组合试试, \color{blue}{\mathscr{J}}+\color{purple}{\mathscr{K}}=\int\left( \frac{4}{\tan x}-\frac{2x}{\sin^2x}-\frac{2x}{\tan^2x}-2x \right)dx

=\int\left( \frac{4}{\tan x}-\frac{4x}{\sin^2x} \right)dx=4\ln|\sin x|-4\int\frac{x}{\sin^2x}dx

\color{blue}{\mathscr{J}}-\color{purple}{\mathscr{K}}=\int\left( \frac{2x}{\sin^2x}+2x-\frac{2x}{\tan^2x} \right)dx

=\int\frac{2x+2x\sin^2x-2x\cos^2x}{\sin^2x}dx=2x^2+C

其中又出现了不好解决的 L=\int\frac{x}{\sin^2x}dx ,我们考虑...... ......算了,还是不要组合积分了,认认真真的算一算,这个积分还是比较简单。

L=\int\frac{x}{\sin^2x}dx=\int x\csc^2xdx\\ =\int x d(-\cot x)=-x\cot x-\int(-\cot x)dx\\ =-x\cot x+\ln|\sin x|+C

到这里,应该知道,一切都计算完了。

\mathscr{J}+\mathscr{K}=\frac{4x}{\tan x}+C

\mathscr{J}-\mathscr{K}=2x^2+C

可知 \mathscr{J}=x^2+\frac{2x}{\tan x}+C ,\mathscr{K}=\frac{2x}{\tan x}-x^2+C

\mathscr{U}+\mathscr{I}=2\ln|\sin x|+C

\mathscr{U}-\mathscr{I}=\mathscr{J}=x^2+\frac{2x}{\tan x}+C

可知 \mathscr{U}=\ln|\sin x|+\frac{x^2}{2}+\frac{x}{\tan x}+C , \mathscr{I}=\ln|\sin x|-\frac{x^2}{2}-\frac{x}{\tan x}+C

而 \huge\color{red}{\mathscr{I}=\int\frac{x}{\tan^2x}dx=\ln|\sin x|-\frac{x^2}{2}-\frac{x}{\tan x}+C}

正好就是我们所要求解的值。