題目
Problem
3. Evaluate ∫4x2−4x+34x2−3x+2dx.
解答
解法一:多項式除法與湊項法
思路
展開
- 此為有理函數積分。由於分子與分母的最高次項皆為 2 次,先進行多項式除法:
4x2−4x+34x2−3x+2=1+4x2−4x+3x−1
- 將餘式項拆分。分母為二次不可約多項式,其導數為 8x−4。
將分子湊成包含分母導數的項:
x−1=81(8x−4)−21
- 拆開為兩項積分:
- 第一項: 81∫4x2−4x+38x−4dx=81ln(4x2−4x+3)。
- 第二項:將分母配方,使用對應的 tan−1 三角反函數公式求解。
答題過程
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第一步:多項式除法與化簡
∫4x2−4x+34x2−3x+2dx=∫(1+4x2−4x+3x−1)dx=x+∫4x2−4x+3x−1dx
第二步:分子拆分與湊導數
觀察分母的微分為:
dxd(4x2−4x+3)=8x−4
將分子 x−1 改寫為含有 8x−4 的形式:
x−1=81(8x−4)−21
則待求積分項可拆為:
∫4x2−4x+3x−1dx=81∫4x2−4x+38x−4dx−21∫4x2−4x+31dx
第三步:合併所有項
∫4x2−4x+34x2−3x+2dx=x+81ln(4x2−4x+3)−82tan−1(22x−1)+C
解法二:變數代換配方法
思路
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- 由於分母 4x2−4x+3=(2x−1)2+2 含有 (2x−1) 的配方結構,我們可先進行線性代換:令 u=2x−1。
- 藉由 x=2u+1 將分子與分母完全轉化為 u 的代數式。
- 此時被積函數可分項化簡,避免在原自變數 x 之下進行複雜的湊項計算。
答題過程
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令 u=2x−1⟹x=2u+1⟹dx=21du。
將分子與分母以 u 表達:
將變數代入積分式:
∫4x2−4x+34x2−3x+2dx====∫u2+2u2+21u+23⋅21du21∫u2+2(u2+2)+21u−21du21∫(1+21u2+2u−21u2+21)du21u+81ln(u2+2)−421tan−1(2u)+C0
將 u=2x−1 代回:
I==21(2x−1)+81ln((2x−1)2+2)−82tan−1(22x−1)+C0x−21+81ln(4x2−4x+3)−82tan−1(22x−1)+C0
合併常數項 −21+C0 為新的積分常數 C:
I=x+81ln(4x2−4x+3)−82tan−1(22x−1)+C