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关于「$\sqrt{x}$ 的原函数是什么?」

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认识概念

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x\sqrt{x} 的原函数是 23x3/2\frac{2}{3}x^{3/2}。这是通过将 x\sqrt{x} 重写为 x1/2x^{1/2} 并应用积分的幂法则得到的,该法则指出对于 n≠−1n \neq -1,∫xndx=xn+1n+1\int x^n dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}。

适用条件:函数是 x\sqrt{x}。;应用了积分的幂法则。;指数 n=1/2n = 1/2。

掌握方法

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可以通过认识到被积函数 y=9−x2y = \sqrt{9-x^2} 的图像是半径为 3 的上半圆来计算定积分。因为该函数在 [−3,3][-3, 3] 上连续且非负,积分等于该区域的普通几何面积。

适用条件:被积函数被识别为 x2+y2=9x^2+y^2=9 的上半圆。;函数在区间 [−3,3][-3, 3] 上连续且非负。;使用圆的实数几何面积公式。

掌握方法

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要计算该定积分,令 x=1+eux = 1 + e^u,则 dx=eududx = e^u du。将积分限从 u=0u=0 和 u=ln⁡2u=\ln 2 转换为 x=2x=2 和 x=3x=3。

适用条件:积分是定积分,限为 u=0u=0 到 u=ln⁡2u=\ln 2。;被积函数是 eu1+eue^u \sqrt{1+e^u}。;使用换元 x=1+eux = 1 + e^u。

理解原因

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因子 x3x^3 与 1+x4\sqrt{1+x^4} 分组,因为内部函数 1+x41+x^4 的导数是 4x34x^3。x3x^3 的存在使得表达式 x31+x4x^3\sqrt{1+x^4} 可以直接使用换元法积分,这是分部积分法的前提条件。

适用条件:被积函数是 x71+x4x^7\sqrt{1+x^4}。;方法涉及分部积分。;项 dvdv 必须是可积的。

掌握方法

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要几何地计算定积分 ∫−339−x2 dx\int_{-3}^{3} \sqrt{9-x^2}\,dx,需要认识到被积函数 y=9−x2y = \sqrt{9-x^2} 代表以原点为中心、半径为 3 的圆的上半圆。因为该函数在区间 [−3,3][-3, 3] 上非负且连续,定积分等于该阴影区域的普通几何面积。

适用条件:被积函数是 9−x2\sqrt{9-x^2},积分限是 -3 和 3。;平方根表示主(非负)根,将图像限制在 y≥0y \ge 0。;函数在闭区间 [−3,3][-3, 3] 上连续且非负,确保定积分等于曲线下方的普通面积。

认识概念

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对于关于形心 y 轴的特定阴影区域,面积惯性矩 IyI_y 的最终数值约为 0.762 m40.762 \text{ m}^4。该值是通过计算定积分 ∫02x2(2−2x1/2)dx\int_0^2 x^2 (2 - \sqrt{2} x^{1/2}) dx 得到的,该积分简化为 243−2(27)23.5\frac{2^4}{3} - \sqrt{2} \left(\frac{2}{7}\right) 2^{3.5}。

适用条件:区域由 y=2y = 2(顶部)和 y=2x1/2y = \sqrt{2} x^{1/2}(底部)从 x=0x=0 到 x=2x=2 界定。;轴是形心 y 轴。;单位为米。

认识概念

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最终值是 23−4232\sqrt{3} - \frac{4\sqrt{2}}{3}。这是通过在转换后的限 x=3x=3 和 x=2x=2 处求值原函数 23x3/2\frac{2}{3}x^{3/2} 并相减得到的。

适用条件:积分是 ∫0ln⁡2eu1+eudu\int_0^{\ln 2} e^u \sqrt{1+e^u} du。;使用换元 x=1+eux = 1 + e^u。;积分限转换为 2 和 3。;原函数是 23x3/2\frac{2}{3}x^{3/2}。

掌握方法

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在定积分中使用 u-代换时,必须以 xx 表示的原始积分限必须转换为以 uu 表示的新积分限。这是通过将原始 xx 界限代入代换方程 u(x)u(x) 来完成的。

适用条件:积分是定积分。;正在使用代换 u=u(x)u = u(x)。;原始积分限是以 xx 给出的。

理解原因

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选择代换 u=1+94xu = 1 + \frac{9}{4}x 是因为它正是弧长积分 ∫032/91+94x dx\int_0^{32/9}\sqrt{1+\frac{9}{4}x}\,dx 中根号下的表达式。通过将 uu 设为这个内部表达式,复杂的被积函数简化为 u\sqrt{u},这使得使用幂法则进行积分变得容易得多。

适用条件:要计算的积分是 ∫032/91+94x dx\int_0^{32/9}\sqrt{1+\frac{9}{4}x}\,dx。;被积函数在平方根下包含一个复合表达式。

掌握方法

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要计算 ∫23xdx\int_2^3 \sqrt{x} dx,首先找到原函数 23x3/2\frac{2}{3}x^{3/2}。然后,应用微积分基本定理,用上限处的原函数值减去下限处的原函数值:[23x3/2]23=23(3)3/2−23(2)3/2\left[\frac{2}{3}x^{3/2}\right]_2^3 = \frac{2}{3}(3)^{3/2} - \frac{2}{3}(2)^{3/2}。

适用条件:积分是 ∫23xdx\int_2^3 \sqrt{x} dx。;原函数是 23x3/2\frac{2}{3}x^{3/2}。;积分限是 2 和 3。

掌握方法

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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。

认识概念

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定积分 ∫−339−x2 dx\int_{-3}^{3} \sqrt{9-x^2}\,dx 的精确值是 9π2\frac{9\pi}{2}。这是通过将积分解释为半径为 3 的圆的上半圆的几何面积推导出来的。

适用条件:将积分解释为 [−3,3][-3,3] 上图下方的面积。;将图像识别为半径为 3 的上半圆。;显示的定积分的精确相等性。