7.1: Ushirikiano na Sehemu
- 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 kuunganisha∫xsin(x2)dx kwa kutumia badalau=x2, kitu rahisi kuangalia kama∫xsinxdx 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 kwa∫f(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=uv−∫vdu.
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=uv−∫vdu.
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.
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=12x2sinx−∫12x2cosxdx.
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+∫cosxdx−∫Kdx=−xcosx+Kx+sinx−Kx+C=−xcosx+sinx+C.
Kama unaweza kuona, haina tofauti katika suluhisho la mwisho.
Mwisho, tunaweza kuangalia ili kuhakikisha kwamba antiderivative yetu ni sahihi kwa kutofautisha−xcosx+sinx+C:
ddx(−xcosx+sinx+C)=(−1)cosx+(−x)(−sinx)+cosx=xsinx
Kwa hiyo, antiderivative hundi nje.
Tathmini∫xe2xdx kutumia formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) nau=x nadv=e2xdx.
- Kidokezo
-
Kupatadu nav, na kutumia mfano uliopita kama mwongozo.
- Jibu
-
∫xe2xdx=12xe2x−14e2x+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.
Tathmini∫lnxx3dx.
Suluhisho
Anza kwa kuandika upya muhimu:
∫lnxx3dx=∫x−3lnxdx.
Kwa kuwa muhimu hii ina kazi ya algebraicx−3 na kazi ya logarithmiclnx, chaguau=lnx, tanguL inakuja kabla A katika LIATE. Baada ya kuchaguliwau=lnx, lazima tuchaguedv=x−3dx.
Next, tanguu=lnx, tunadu=1xdx. Pia,v=∫x−3dx=−12x−2. muhtasari,
- u=lnx
- du=1xdx
- dv=x−3dx
- v=∫x−3dx=−12x−2.
Kubadilisha katika formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) inatoa
∫lnxx3dx=∫x−3lnxdx=(lnx)(−12x−2)−∫(−12x−2)(1xdx)=−12x−2lnx+∫12x−3dx=−12x−2lnx−14x−2+C =−12x2lnx−14x2+C
Tathmini∫xlnxdx.
- Kidokezo
-
Tumiau=lnx nadv=xdx.
- Jibu
-
∫xlnxdx=12x2lnx−14x2+C
Katika hali nyingine, kama katika mifano miwili ijayo, inaweza kuwa muhimu kuomba ushirikiano na sehemu zaidi ya mara moja.
Tathmini∫x2e3xdx.
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=13x2e3x−∫23xe3xdx.
Bado hatuwezi kuunganisha∫23xe3xdx 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−(29xe3x−∫29e3xdx).
Baada ya kutathmini muhimu ya mwisho na kurahisisha, tunapata
∫x2e3xdx=13x2e3x−29xe3x+227e3x+C.
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 kutathmini∫et2dt. Hata hivyo, tangu tunaweza kutathmini∫tet2dx, tunaweza kujaribu kuchaguau=t2dv=tet2dt. na Kwa uchaguzi huu tuna
- u=t2
- du=2tdt
- dv=tet2dt
- v=∫tet2dt=12et2.
Hivyo, sisi kupata
∫t3et2dt=12t2et2−∫12et22tdt=12t2et2−12et2+C.
Tathmini∫sin(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)⋅1x⋅12x−(12cos(lnx)−sin(lnx)⋅1x⋅12x)=sin(lnx).
Tathmini∫x2sinxdx.
- 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.
Hebuu=f(x) nav=g(x) uwe kazi na derivatives zinazoendelea kwenye [a,b]. Kisha
∫baudv=uv|ba−∫bavdu
Pata eneo la kanda lililofungwa hapo juu na grafu yay=tan−1x na chini nax -axis juu ya muda [0,1].
Suluhisho
Mkoa huu umeonyeshwa kwenye Kielelezo7.1.1. Ili kupata eneo hilo, ni lazima tathmini
∫10tan−1xdx.

Kwa hili muhimu, hebu tuchagueu=tan−1x nadv=dx, na hivyodu=1x2+1dx tufanye nav=x. Baada ya kutumia formula ya ushirikiano na-sehemu (Equation\ ref {IBP}) tunapata
Area=xtan−1x|10−∫10xx2+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.
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}).

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.
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