Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/GreekAndCoptic.js
Skip to main content
Library homepage
 
Global

7.1: Ushirikiano na Sehemu

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Malengo ya kujifunza
  • Tambua wakati wa kutumia ushirikiano na sehemu.
  • Tumia formula ya ushirikiano na-sehemu ili kutatua matatizo ya ushirikiano.
  • Tumia formula ya ushirikiano na-sehemu kwa integrals uhakika.

Kwa sasa tuna utaratibu wa uhakika wa jinsi ya kutathmini integrals nyingi za msingi. Hata hivyo, ingawa tunaweza kuunganishaxsin(x2)dx kwa kutumia badalau=x2, kitu rahisi kuangalia kamaxsinxdx anakataa sisi. Wanafunzi wengi wanataka kujua kama kuna utawala wa bidhaa kwa ushirikiano. Hakuna, lakini kuna mbinu inayotokana na utawala wa bidhaa kwa kutofautisha ambayo inaruhusu sisi kubadilishana moja muhimu kwa mwingine. Tunaita ushirikiano wa mbinu hii na sehemu.

Mfumo wa Ushirikiano na sehemu

Ikiwah(x)=f(x)g(x), basi kwa kutumia utawala wa bidhaa, tunapata

h(x)=f(x)g(x)+g(x)f(x).

Ingawa kwa mara ya kwanza inaweza kuonekana kuwa na matokeo mabaya, hebu sasa tuunganishe pande zote mbili za Equation\ ref {eq1}:

h(x)dx=(g(x)f(x)+f(x)g(x))dx.

Hii inatupa

h(x)=f(x)g(x)=g(x)f(x)dx+f(x)g(x)dx.

Sasa sisi kutatua kwaf(x)g(x)dx:

f(x)g(x)dx=f(x)g(x)g(x)f(x)dx.

Kwa kufanya mbadalau=f(x) nav=g(x), ambayo kwa upande hufanya,du=f(x)dx nadv=g(x)dx, tuna fomu ya compact zaidi

udv=uvvdu.

Ushirikiano na Sehemu

Hebuu=f(x) nav=g(x) uwe kazi na derivatives zinazoendelea. Kisha, formula ya ushirikiano na-sehemu kwa muhimu inayohusisha kazi hizi mbili ni:

udv=uvvdu.

Faida ya kutumia formula ya ushirikiano na-sehemu ni kwamba tunaweza kuitumia ili kubadilishana moja muhimu kwa mwingine, labda rahisi, muhimu. Mfano unaofuata unaonyesha matumizi yake.

Mfano7.1.1: Using Integration by Parts

Tumia ushirikiano na sehemuu=x nadv=sinxdx kutathmini

xsinxdx.

Suluhisho

Kwa kuchaguau=x, tunadu=1dx. Tangudv=sinxdx, tunapata

v=sinxdx=cosx.

Ni Handy kuweka wimbo wa maadili haya kama ifuatavyo:

  • u=x
  • dv=sinxdx
  • du=1dx
  • v=sinxdx=cosx.

Kutumia formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) matokeo

xsinxdx=(x)(cosx)(cosx)(1dx)=xcosx+cosxdx

Kisha utumie

cosxdx=sinx+C.

ili kupata

xsinxdx=xcosx+sinx+C.

Uchambuzi

Kwa hatua hii, kuna pengine vitu vichache vinavyohitaji ufafanuzi. Kwanza kabisa, unaweza kuwa na hamu kuhusu nini kitatokea kama tungechaguau=sinx nadv=x. Ikiwa tulikuwa tumefanya hivyo, basi tungekuwadu=cosx nav=12x2. Hivyo, baada ya kutumia ushirikiano na sehemu (Equation\ ref {IBP}), tuna

xsinxdx=12x2sinx12x2cosxdx.

Kwa bahati mbaya, pamoja na muhimu mpya, hatuko katika nafasi nzuri zaidi kuliko hapo awali. Ni muhimu kukumbuka kwamba tunapoomba ushirikiano na sehemu, tunaweza kuhitaji kujaribu uchaguzi kadhaau nadv kabla ya kupata uchaguzi unaofanya kazi.

Pili, unaweza kushangaa kwa niniv=sinxdx=cosx, wakati sisi kupata, hatutumiiv=cosx+K. Ili kuona kwamba haina tofauti, tunaweza rework tatizo kwa kutumiav=cosx+K:

xsinxdx=(x)(cosx+K)(cosx+K)(1dx)=xcosx+Kx+cosxdxKdx=xcosx+Kx+sinxKx+C=xcosx+sinx+C.

Kama unaweza kuona, haina tofauti katika suluhisho la mwisho.

Mwisho, tunaweza kuangalia ili kuhakikisha kwamba antiderivative yetu ni sahihi kwa kutofautishaxcosx+sinx+C:

ddx(xcosx+sinx+C)=(1)cosx+(x)(sinx)+cosx=xsinx

Kwa hiyo, antiderivative hundi nje.

Zoezi7.1.1

Tathminixe2xdx kutumia formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) nau=x nadv=e2xdx.

Kidokezo

Kupatadu nav, na kutumia mfano uliopita kama mwongozo.

Jibu

xe2xdx=12xe2x14e2x+C

Swali la asili la kuuliza kwa hatua hii ni: Tunajuaje jinsi ya kuchaguau nadv? Wakati mwingine ni suala la jaribio na hitilafu; hata hivyo, kifupi LIATE kinaweza kusaidia kuchukua baadhi ya guesswork nje ya uchaguzi wetu. Kifupi hiki kinasimama kwa Kazi za L ogarithmic, Kazi za Trigonometric, Kazi za Legebraic, Kazi za Rigonometric, na Kazi za ufanisi za E. Mnemonic hii hutumika kama msaada katika kuamua uchaguzi sahihi kwau. Aina ya kazi katika muhimu ambayo inaonekana kwanza katika orodha inapaswa kuwa uchaguzi wetu wa kwanza wau.

Kwa mfano, ikiwa muhimu ina kazi ya logarithmic na kazi ya algebraic, tunapaswau kuchagua kuwa kazi ya logarithmic, kwa sababu L huja kabla ya A katika LIATE. Muhimu katika Mfano7.1.1 ina kazi ya trigonometric (sinx) na kazi ya algebraic (x). Kwa sababu A huja kabla ya T katika LIATE, tulichaguau kuwa kazi ya algebraic. Wakati sisi wamechaguau,dv ni kuchaguliwa kuwa sehemu iliyobaki ya kazi ya kuwa jumuishi, pamoja nadx.

Kwa nini kazi hii ya mnemonic? Kumbuka kwamba chochote sisi kuchukua kuwadv lazima kitu tunaweza kuunganisha. Kwa kuwa hatuna formula za ushirikiano ambazo zinatuwezesha kuunganisha kazi rahisi za logarithmic na kazi za trigonometric inverse, ni busara kwamba haipaswi kuchaguliwa kama maadilidv. Kwa hiyo, wanapaswa kuwa katika kichwa cha orodha kama uchaguziu. Hivyo, tunaweka LI mwanzoni mwa mnemonic. (Tunaweza tu kwa urahisi wameanza na IL, tangu aina hizi mbili za kazi si kuonekana pamoja katika tatizo ushirikiano na-sehemu.) Kazi ya kielelezo na trigonometric ni mwisho wa orodha yetu kwa sababu ni rahisi kuunganisha na kufanya uchaguzi mzuri kwadv. Hivyo, tuna TE mwishoni mwa mnemonic yetu. (Tunaweza tu kama urahisi wametumia ET mwishoni, tangu wakati aina hizi za kazi kuonekana pamoja kwa kawaida haina kweli jambo ambalo ni mojau na ambayo ni mojadv.) Kazi za algebraic kwa ujumla ni rahisi kuunganisha na kutofautisha, na huja katikati ya mnemonic.

Mfano7.1.2: Using Integration by Parts

Tathminilnxx3dx.

Suluhisho

Anza kwa kuandika upya muhimu:

lnxx3dx=x3lnxdx.

Kwa kuwa muhimu hii ina kazi ya algebraicx3 na kazi ya logarithmiclnx, chaguau=lnx, tanguL inakuja kabla A katika LIATE. Baada ya kuchaguliwau=lnx, lazima tuchaguedv=x3dx.

Next, tanguu=lnx, tunadu=1xdx. Pia,v=x3dx=12x2. muhtasari,

  • u=lnx
  • du=1xdx
  • dv=x3dx
  • v=x3dx=12x2.

Kubadilisha katika formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) inatoa

lnxx3dx=x3lnxdx=(lnx)(12x2)(12x2)(1xdx)=12x2lnx+12x3dx=12x2lnx14x2+C =12x2lnx14x2+C

Zoezi7.1.2

Tathminixlnxdx.

Kidokezo

Tumiau=lnx nadv=xdx.

Jibu

xlnxdx=12x2lnx14x2+C

Katika hali nyingine, kama katika mifano miwili ijayo, inaweza kuwa muhimu kuomba ushirikiano na sehemu zaidi ya mara moja.

Mfano7.1.3A: Applying Integration by Parts More Than Once

Tathminix2e3xdx.

Suluhisho

Kutumia LIATE, chaguau=x2 nadv=e3xdx. Hivyo,du=2xdx nav=e3xdx=(13)e3x. Kwa hiyo,

  • u=x2
  • du=2xdx
  • dv=e3xdx
  • v=e3xdx=13e3x.

Kubadilisha katika Equation\ ref {IBP} inazalisha

x2e3xdx=13x2e3x23xe3xdx.

Bado hatuwezi kuunganisha23xe3xdx moja kwa moja, lakini muhimu sasa ina nguvu ya chinix. Tunaweza kutathmini hii muhimu mpya kwa kutumia ushirikiano na sehemu tena. Ili kufanya hivyo, chagua

u=x

na

dv=23e3xdx.

Hivyo,

du=dx

na

v=(23)e3xdx=(29)e3x.

Sasa tuna

  • u=x
  • du=dx
  • dv=23e3xdx
  • v=23e3xdx=29e3x.

Kubadilisha nyuma katika Equation\ ref {3A.2} mavuno

x2e3xdx=13x2e3x(29xe3x29e3xdx).

Baada ya kutathmini muhimu ya mwisho na kurahisisha, tunapata

x2e3xdx=13x2e3x29xe3x+227e3x+C.

Mfano7.1.3B: Applying Integration by Parts When LIATE Does not Quite Work

Tathmini

t3et2dt.

Suluhisho

Ikiwa tunatumia tafsiri kali ya LIATE ya mnemonic ili kufanya uchaguzi wetuu, tunaishiau=t3 nadv=et2dt. Kwa bahati mbaya, uchaguzi huu si kazi kwa sababu hatuwezi kutathminiet2dt. Hata hivyo, tangu tunaweza kutathminitet2dx, tunaweza kujaribu kuchaguau=t2dv=tet2dt. na Kwa uchaguzi huu tuna

  • u=t2
  • du=2tdt
  • dv=tet2dt
  • v=tet2dt=12et2.

Hivyo, sisi kupata

t3et2dt=12t2et212et22tdt=12t2et212et2+C.

Mfano7.1.3C: Applying Integration by Parts More Than Once

Tathminisin(lnx)dx.

Suluhisho

Hii muhimu inaonekana kuwa moja tu kazi-yaani,sin(lnx) -Hata hivyo, tunaweza daima kutumia kazi ya mara kwa mara 1 kama kazi nyingine. Katika mfano huu, hebu tuchagueu=sin(lnx) nadv=1dx. (Uamuzi wa kutumiau=sin(lnx) ni rahisi. Hatuwezi kuchaguadv=sin(lnx)dx kwa sababu kama tungeweza kuunganisha, hatutatumia ushirikiano kwa sehemu katika nafasi ya kwanza!) Kwa hiyo,du=(1/x)cos(lnx)dx nav=1dx=x. Baada ya kutumia ushirikiano na sehemu muhimu na kurahisisha, tuna

sin(lnx)dx=xsin(lnx)cos(lnx)dx.

Kwa bahati mbaya, mchakato huu unatuacha na muhimu mpya ambayo ni sawa na ya awali. Hata hivyo, hebu angalia nini kinatokea wakati sisi kuomba ushirikiano na sehemu tena. Wakati huu hebu tuchagueu=cos(lnx) nadv=1dx, kufanyadu=(1/x)sin(lnx)dx nav=1dx=x.

Kubadilisha, tuna

sin(lnx)dx=xsin(lnx)(xcos(lnx)sin(lnx)dx).

Baada ya kurahisisha, tunapata

sin(lnx)dx=xsin(lnx)xcos(lnx)sin(lnx)dx.

Muhimu wa mwisho sasa ni sawa na ya awali. Inaweza kuonekana kwamba tumekwenda kwenye mduara, lakini sasa tunaweza kweli kutathmini muhimu. Kuona jinsi ya kufanya hivyo kwa uwazi zaidi, mbadalaI=sin(lnx)dx. Hivyo, equation inakuwa

I=xsin(lnx)xcos(lnx)I.

Kwanza,I kuongeza pande zote mbili za equation kupata

2I=xsin(lnx)xcos(lnx).

Kisha, ugawanye na 2:

I=12xsin(lnx)12xcos(lnx).

KubadilishaI=sin(lnx)dx tena, tuna

sin(lnx)dx=12xsin(lnx)12xcos(lnx).

Kutokana na hili tunaona kwamba(1/2)xsin(lnx)(1/2)xcos(lnx) ni antiderivative yasin(lnx)dx. Kwa antiderivative ya jumla, ongeza+C:

sin(lnx)dx=12xsin(lnx)12xcos(lnx)+C.

Uchambuzi

Ikiwa njia hii inahisi ajabu kidogo kwa mara ya kwanza, tunaweza kuangalia jibu kwa kutofautisha:

ddx(12xsin(lnx)12xcos(lnx))=12(sin(lnx))+cos(lnx)1x12x(12cos(lnx)sin(lnx)1x12x)=sin(lnx).

Zoezi7.1.3

Tathminix2sinxdx.

Kidokezo

Hii ni sawa na Mifano7.1.3A -7.1.3C.

Jibu

x2sinxdx=x2cosx+2xsinx+2cosx+C

Ushirikiano na Parts kwa Integrals uhakika

Sasa kwa kuwa tumetumia ushirikiano na sehemu kwa mafanikio kutathmini integrals usio na kipimo, tunageuka mawazo yetu kwa integrals ya uhakika. Mbinu ya ushirikiano ni sawa, tu tunaongeza hatua ya kutathmini muhimu katika mipaka ya juu na ya chini ya ushirikiano.

Ushirikiano na Parts kwa Integrals uhakika

Hebuu=f(x) nav=g(x) uwe kazi na derivatives zinazoendelea kwenye [a,b]. Kisha

baudv=uv|babavdu

Mfano7.1.4A: Finding the Area of a Region

Pata eneo la kanda lililofungwa hapo juu na grafu yay=tan1x na chini nax -axis juu ya muda [0,1].

Suluhisho

Mkoa huu umeonyeshwa kwenye Kielelezo7.1.1. Ili kupata eneo hilo, ni lazima tathmini

10tan1xdx.

Takwimu hii ni grafu ya kazi ya tangent inverse. Ni kazi inayoongezeka ambayo inapita kupitia asili. Katika quadrant ya kwanza kuna eneo la kivuli chini ya grafu, juu ya mhimili wa x-axis. Eneo la kivuli limefungwa kwa haki saa x = 1.
Kielelezo7.1.1: Ili kupata eneo la kanda la kivuli, tunapaswa kutumia ushirikiano na sehemu.

Kwa hili muhimu, hebu tuchagueu=tan1x nadv=dx, na hivyodu=1x2+1dx tufanye nav=x. Baada ya kutumia formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) tunapata

Area=xtan1x|1010xx2+1dx.

Matumiziu -badala ya kupata

10xx2+1dx=12ln(x2+1)|10.

Hivyo,

\text{Area}=x \tan^{−1}x \Big|^1_0− \left.\dfrac{1}{2}\ln \left( x^2+1 \right) \right|^1_0=\left(\dfrac{π}{4}−\dfrac{1}{2}\ln 2\right) \,\text{units}^2. \nonumber

Katika hatua hii inaweza kuwa wazo mbaya kufanya “kuangalia ukweli” juu ya reasonableness ya ufumbuzi wetu. Tangu\dfrac{π}{4}−\dfrac{1}{2}\ln 2≈0.4388\,\text{units}^2, na kutoka Kielelezo\PageIndex{1} tunatarajia eneo letu kuwa kidogo chini ya ufumbuzi0.5\,\text{units}^2, huu inaonekana kuwa busara.

Mfano\PageIndex{4B}: Finding a Volume of Revolution

Pata kiasi cha imara iliyopatikana kwa kuzunguka eneo lililofungwa na grafuf(x)=e^{−x}, yax -axis,y -axis, na mstarix=1 kuhusuy -axis.

Suluhisho

Chaguo bora ya kutatua tatizo hili ni kutumia njia ya shell. Anza kwa sketching kanda kuwa revolved, pamoja na mstatili kawaida (Kielelezo\PageIndex{2}).

Takwimu hii ni grafu ya kazi e ^ -x. Ni kazi inayoongezeka upande wa kushoto wa mhimili wa y na kupungua upande wa kulia wa mhimili wa y. Curve pia inakuja kwa uhakika juu ya y-axis katika y = 1. Chini ya pembe kuna mstatili wa kivuli katika quadrant ya kwanza. Pia kuna silinda chini ya grafu, iliyoundwa na kuzunguka mstatili karibu na mhimili wa y.
Kielelezo\PageIndex{2}: Tunaweza kutumia njia ya shell ili kupata kiasi cha mapinduzi.

Ili kupata kiasi kwa kutumia shells, lazima tathmini

2π∫^1_0xe^{−x}\,dx. \label{4B.1}

Ili kufanya hivyo, basiu=x nadv=e^{−x}. Uchaguzi huu unasababishadu=\,dx nav=∫​e^{−x}\,dx=−e^{−x}. Kutumia formula ya Njia ya Shell, tunapata

\ [kuanza {align*}\ Nakala {Volume} &=2π^1_0xe^ {-x}\, dx\\ [4pt] = 2π\ kushoto (-xe^ {-x}\ Big|^1_0+^1_0E^ {-x}\\, dx\ haki)\ tag {Tumia ushirikiano na sehemu}\\ [4pt]
&= 2_0E^ {-x}\ π\ kushoto (-e^ {-1} + 0 - e^ {-x}\ Big|^1_0\ haki)\\ [4pt]
&= 2π\ kushoto (-e^ {-1} - e^ {-1} + 1\ haki)\\ [4pt]
&= 2π\ kushoto (1 -\ dfrac {2} {e}\ haki)\,\ maandishi {vitengo} ^3. \ tag {Tathmini na kurahisisha}\ mwisho {align*}\]

Uchambuzi

Tena, ni wazo nzuri ya kuangalia reasonableness ya ufumbuzi wetu. Tunaona kwamba imara ina kiasi kidogo kidogo kuliko ile ya silinda ya radius1 na urefu wa1/e aliongeza kwa kiasi cha koni ya msingi radius1 na urefu wa1−\dfrac{1}{e}. Kwa hiyo, imara inapaswa kuwa na kiasi kidogo chini ya

π(1)^2\dfrac{1}{e}+\left(\dfrac{π}{3}\right)(1)^2\left(1−\dfrac{1}{e}\right)=\dfrac{2π}{3e}+\dfrac{π}{3}≈1.8177\,\text{units}^3. \nonumber

Kwa kuwa2π−\dfrac{4π}{e}≈1.6603, tunaona kwamba kiasi chetu cha mahesabu ni busara.

Zoezi\PageIndex{4}

Tathmini∫^{π/2}_0x\cos x\,dx. \nonumber

Kidokezo

Matumizi Equation\ ref {IBP}u=x nadv=\cos x\,dx.

Jibu

∫^{π/2}_0x\cos x\,dx = \dfrac{π}{2}−1 \nonumber

Dhana muhimu

  • Fomu ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) inaruhusu kubadilishana moja muhimu kwa mwingine, labda rahisi, muhimu.
  • Ushirikiano na sehemu inatumika kwa integrals wote uhakika na usio na kipimo.

Mlinganyo muhimu

  • Ushirikiano na sehemu formula

\displaystyle ∫u\,dv=uv−∫v\,du

  • Ushirikiano na sehemu kwa integrals uhakika

\displaystyle ∫^b_au\,dv=uv\Big|^b_a−∫^b_av\,du

faharasa

ushirikiano na sehemu
mbinu ya ushirikiano ambayo inaruhusu kubadilishana moja muhimu kwa mwingine kwa kutumia formula\displaystyle ∫​u\,dv=uv−∫​v\,du