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定理已证明

分部积分法

命题陈述

若 u=u(x)u=u(x) 与 v=v(x)v=v(x) 在区间 KK 上可导,则 ∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du,即 ∫u(x)v′(x) dx=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x) dx\int u(x)v'(x)\,dx = u(x)v(x) - \int u'(x)v(x)\,dx。

为什么成立?

分部积分是把乘积求导法则反过来用:它并不消去积分号,而是把导数从一个因子(vv)转移到另一个因子(uu)上,当 uu 求导后变得更简单(例如 u=xu=x 变成 u′=1u'=1)而 v′v' 仍容易求原函数时,这正是恰当的一步——从而把像 ∫xex dx\int x e^x\,dx 这样困难的乘积变得容易。

证明思路

由乘积法则,(uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'。整理得 uv′=(uv)′−u′vuv' = (uv)' - u'v。

对两边(在 KK 上,关于 xx)取原函数。右边 (uv)′(uv)' 显然以 uvuv 本身为一个原函数(由唯一性定理,相差一个常数),所以 ∫uv′ dx=∫(uv)′ dx−∫u′v dx=uv−∫u′v dx\int uv'\,dx = \int (uv)'\,dx - \int u'v\,dx = uv - \int u'v\,dx。

记 dv=v′(x) dxdv = v'(x)\,dx、du=u′(x) dxdu=u'(x)\,dx,就得到简洁易记的形式 ∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv - \int v\,du。实际操作中,选一个因子作为 uu(用于求导),其余部分作为 dvdv(用于求原函数),通常优先对求导后会变简单的因子(多项式、对数)求导,而对仍易于求原函数的因子(exe^x、sin⁡x\sin x、cos⁡x\cos x)积分。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. James Stewart (2015). Calculus: Early Transcendentals
  2. Michael Spivak (2008). Calculus
  3. Manuel Bronstein (1998). Symbolic Integration Tutorial