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請問這個積分可以求出來嗎?

2021-06-06知識

事實上,對於另一位答主給的解答,我是很有些訝異的,沒有看懂第一步,雖然我們的最終結果是一樣的。我決計要寫一寫我的方法,倒也不是我的方法大約的確就會簡單些,至少我自己,跟能理解,同時也為解決這道題提供另一條死路。博學的大佬或許會批評我太垃圾了,這也罷,隨他去吧。

設我們的所求積分為 \color{red}{\mathscr{I}}=\int\frac{x}{\tan^2x}dx ,這道題,我們考慮使用組合積分法。我想找一個與之配對的積分,能把分母上 \tan x 約掉或者是盡量約,還想無論加減這兩個積分,都使積分變得稍微簡單一些,於是我找到了積分 \color{green}{\mathscr{U}}=\int\frac{2\tan x-x}{\tan^2x}dx 。

我們來組合一下試試。 \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 ,第一個式子很簡單,但是第二個式子比較麻煩,拆開做也不行,不信可以試。

那咋辦?

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 ,現在要計算這個積分的值,感覺還更難了~~~沒關系,在哪裏跌倒,就要從哪裏爬起來。我們再次考慮組合積分法

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

我們來組合試試, \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

其中又出現了不好解決的 L=\int\frac{x}{\sin^2x}dx ,我們考慮...... ......算了,還是不要組合積分了,認認真真的算一算,這個積分還是比較簡單。

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

到這裏,應該知道,一切都計算完了。

\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}

正好就是我們所要求解的值。