分部積分法

Basis
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許多積分涉及兩個函數的乘積——例如 xexx e^x、xln⁡xx \ln x 或 x2sin⁡xx^2 \sin x。換元法對這類積分沒有幫助,因為沒有連鎖律的結構可以利用。**分部積分法(integration by parts)**正是處理乘積的對應技巧:它將一個因子乘以另一個因子的導數的積分,轉化為邊界項加上一個(希望更簡單的)積分。這個公式不過是乘積法則反向閱讀後積分的結果。

由乘積法則推導

設 uu 與 vv 是 [a,b][a, b] 上的可微函數,且其導數 u′u' 與 v′v' 連續。乘積法則給出

(u(x) v(x))′=u′(x) v(x)+u(x) v′(x).(u(x)\,v(x))' = u'(x)\,v(x) + u(x)\,v'(x).

整理後隔離 u(x) v′(x)u(x)\,v'(x) 項:

u(x) v′(x)=(u(x) v(x))′−u′(x) v(x).u(x)\,v'(x) = (u(x)\,v(x))' - u'(x)\,v(x).

對兩端在 [a,b][a, b] 上積分,並對右端應用牛頓–萊布尼茲公式:

∫abu(x) v′(x) dx=[u(x) v(x)]ab−∫abu′(x) v(x) dx.\int_a^b u(x)\,v'(x)\,dx = \bigl[u(x)\,v(x)\bigr]_a^b - \int_a^b u'(x)\,v(x)\,dx.

這就是定積分的分部積分公式。

不定積分形式與微分記號

對不定積分,去掉積分限。記 du=u′(x) dxdu = u'(x)\,dx,dv=v′(x) dxdv = v'(x)\,dx,公式變為

∫u dv=uv−∫v du.\int u\,dv = uv - \int v\,du.

這種微分記號是最簡潔的形式,也是實際使用時最常採用的形式。策略是將被積函數拆成稱為 uu(待微分)與稱為 dvdv(待積分)的兩部分。選好拆分後,計算 du=u′ dxdu = u'\,dx 並對 dvdv 積分得 vv,再代入公式。

選取 uu 與 dvdv:LIATE 啟發法

選哪個因子作為 uu 決定了 ∫v du\int v\,du 比原積分更簡單還是更複雜。一個實用的非正式指引是 LIATE 順序:

  1. Logarithms(對數,如 ln⁡x\ln x、log⁡ax\log_a x)
  2. Inverse trigonometric functions(反三角函數,如 arctan⁡x\arctan x、arcsin⁡x\arcsin x)
  3. Algebraic functions(代數函數,如多項式、冪函數)
  4. Trigonometric functions(三角函數,如 sin⁡x\sin x、cos⁡x\cos x)
  5. Exponentials(指數函數,如 exe^x、axa^x)

應優先將出現在此清單較前位置的函數指定為 uu,將出現在較後位置的函數指定為 dvdv。其理由在於:對對數或反三角函數微分能大幅簡化它們(將 ln⁡x\ln x 變成 1/x1/x),而對指數或三角函數積分並不增加複雜度。這個啟發法不是定理——你始終應驗證所得積分確實更簡單——但在絕大多數標準情形中都能給出正確答案。

計算範例

範例 1:∫xex dx\int x e^x\,dx

由 LIATE,xx(代數)排在 exe^x(指數)之前,故令

u=x,dv=ex dx.u = x, \qquad dv = e^x\,dx.

則 du=dxdu = dx,v=exv = e^x。套用 ∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du:

∫xex dx=xex−∫ex dx=xex−ex+C=(x−1)ex+C.\int x e^x\,dx = x e^x - \int e^x\,dx = x e^x - e^x + C = (x - 1)e^x + C.

可驗證:((x−1)ex)′=ex+(x−1)ex=xex\bigl((x-1)e^x\bigr)' = e^x + (x-1)e^x = x e^x。✓\checkmark

範例 2:∫ln⁡x dx\int \ln x\,dx

這裡只有一個因子,但可以寫成 ln⁡x=ln⁡x⋅1\ln x = \ln x \cdot 1 再使用分部積分。令

u=ln⁡x,dv=dx.u = \ln x, \qquad dv = dx.

則 du=1x dxdu = \dfrac{1}{x}\,dx,v=xv = x。套用公式:

∫ln⁡x dx=xln⁡x−∫x⋅1x dx=xln⁡x−∫1 dx=xln⁡x−x+C.\int \ln x\,dx = x \ln x - \int x \cdot \frac{1}{x}\,dx = x \ln x - \int 1\,dx = x \ln x - x + C.

這是處理含對數積分的關鍵技巧:令 u=ln⁡xu = \ln x,微分後對數消失。

範例 3:∫x2ex dx\int x^2 e^x\,dx——重複應用

當代數因子的次數大於 11 時,需反覆應用分部積分。令 u=x2u = x^2,dv=ex dxdv = e^x\,dx,則 du=2x dxdu = 2x\,dx,v=exv = e^x:

∫x2ex dx=x2ex−2∫xex dx.\int x^2 e^x\,dx = x^2 e^x - 2\int x e^x\,dx.

剩餘的積分 ∫xex dx\int x e^x\,dx 恰好是範例 1,故

∫x2ex dx=x2ex−2(x−1)ex+C=(x2−2x+2)ex+C.\int x^2 e^x\,dx = x^2 e^x - 2(x - 1)e^x + C = (x^2 - 2x + 2)e^x + C.

範例 4:∫exsin⁡x dx\int e^x \sin x\,dx——自我參照技巧

exe^x 與 sin⁡x\sin x 在微分或積分後均不變得更簡單,重複應用似乎會無限循環。而這種循環正是解題的關鍵。令

u=ex,dv=sin⁡x dx,u = e^x, \qquad dv = \sin x\,dx,

則 du=ex dxdu = e^x\,dx,v=−cos⁡xv = -\cos x:

∫exsin⁡x dx=−excos⁡x+∫excos⁡x dx.(1)\int e^x \sin x\,dx = -e^x \cos x + \int e^x \cos x\,dx. \tag{1}

對 ∫excos⁡x dx\int e^x \cos x\,dx 再次應用分部積分,令 u=exu = e^x,dv=cos⁡x dxdv = \cos x\,dx,v=sin⁡xv = \sin x:

∫excos⁡x dx=exsin⁡x−∫exsin⁡x dx.(2)\int e^x \cos x\,dx = e^x \sin x - \int e^x \sin x\,dx. \tag{2}

將 (2) 代入 (1):

∫exsin⁡x dx=−excos⁡x+exsin⁡x−∫exsin⁡x dx.\int e^x \sin x\,dx = -e^x \cos x + e^x \sin x - \int e^x \sin x\,dx.

原積分出現在兩端。記之為 II,求解:

2I=ex(sin⁡x−cos⁡x),∴I=ex(sin⁡x−cos⁡x)2+C.2I = e^x(\sin x - \cos x), \qquad \therefore\quad I = \frac{e^x(\sin x - \cos x)}{2} + C.

關鍵規則是:在每一步均做相同的選擇決定哪個因子是 uu;若第二步改變選擇,將撤銷第一步的工作。

In=∫xnex dxI_n = \int x^n e^x\,dx 的遞推公式

範例 3 中的重複應用模式可推廣到任意正整數冪 n≥1n \geq 1。令 u=xnu = x^n,dv=ex dxdv = e^x\,dx:

∫xnex dx=xnex−n∫xn−1ex dx.\int x^n e^x\,dx = x^n e^x - n \int x^{n-1} e^x\,dx.

記 In=∫xnex dxI_n = \int x^n e^x\,dx,得遞推公式

In=xnex−n In−1.I_n = x^n e^x - n\, I_{n-1}.

結合初始值 I0=∫ex dx=ex+CI_0 = \int e^x\,dx = e^x + C,這個遞推關係可計算任意非負整數 nn 的 InI_n。對 n=1,2n = 1, 2 應用:

I1=xex−I0=(x−1)ex+C,I_1 = x e^x - I_0 = (x - 1)e^x + C, I2=x2ex−2I1=x2ex−2(x−1)ex+C=(x2−2x+2)ex+C,I_2 = x^2 e^x - 2 I_1 = x^2 e^x - 2(x-1)e^x + C = (x^2 - 2x + 2)e^x + C,

與範例 3 的直接計算結果一致。

摘要

  • 分部積分法是乘積法則的積分形式:∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du,或定積分形式 ∫abu v′ dx=[uv]ab−∫abu′ v dx\int_a^b u\,v'\,dx = \bigl[uv\bigr]_a^b - \int_a^b u'\,v\,dx。
  • 公式由乘積法則 (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv' 整理後應用牛頓–萊布尼茲公式推導而來。
  • LIATE 啟發法(對數、反三角、代數、三角、指數)指導 uu 的選擇:優先選取清單中靠前的因子。
  • 對數與反三角函數始終選為 uu,使微分後它們消失。
  • 當代數因子的次數為 nn 時,重複應用得到遞推公式 In=xnex−n In−1I_n = x^n e^x - n\,I_{n-1}。
  • 當兩個因子均不能被化簡(如 exe^x 與 sin⁡x\sin x)時,每步保持相同的 uu 選擇,應用兩次分部積分後得到關於原積分的方程,從而代數求解。