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换元 1+x41+x^4 如何促进 x3x^3√(1+x41+x^4) 的积分?

该换元之所以有效,是因为 1+x41+x^4 的导数是 4x34x^3,这与被积函数 x31+x4x^3\sqrt{1+x^4} 中存在的 x3x^3 项相匹配。这使得积分可以转换为更简单的幂函数形式,从而能够计算分部积分步骤所需的原函数。

适用条件

  • 要积分的项是 x31+x4x^3\sqrt{1+x^4}。
  • 换元变量是 w=1+x4w = 1+x^4。
  • 微分 dwdw 与 x3dxx^3 dx 成正比。

理解与推导

  1. 设 w=1+x4w = 1+x^4。
  2. 求导得到 dw=4x3dxdw = 4x^3 dx。
  3. 解出 x3dx=14dwx^3 dx = \frac{1}{4} dw。
  4. 代入积分:∫w⋅14dw\int \sqrt{w} \cdot \frac{1}{4} dw。
  5. 积分 14w1/2\frac{1}{4} w^{1/2} 得到 14⋅23w3/2\frac{1}{4} \cdot \frac{2}{3} w^{3/2}。
  6. 回代 w=1+x4w = 1+x^4 以找到原函数。

例子

脚本指出:“换元 1+x1+x⁴ 的导数是 4x³,因此它可以找到 x³√(1+x1+x⁴) 的原函数。”

容易误解的地方

  • 使用不匹配微分项的换元(例如 w=x4w=x^4)。
  • 忘记由导数 4x34x^3 产生的常数因子 1/41/4。
  • 将换元法和分部积分法视为独立的、互不交互的步骤。

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