f(x) = arcsin 2x 的原函数
本题要求求出函数 f(x) = arcsin 2x 的原函数 F(x),并满足条件 F(0) = 0。
题目
解答
步骤 1
被积表达式 arcsin 2x 是反三角函数。这类积分使用分部积分法求解。
步骤 2
将被积表达式 arcsin 2x dx 分为两部分:u = arcsin 2x 和 dv = dx。此时 du = 2/√(1−4x2) dx,v = x。
为什么选择分部积分法?
被积表达式包含反三角函数 arcsin 2x,它没有表格形式的原函数。换元法和表格公式在此都不适用。分部积分法专门用于此类积分:对 arcsin 2x 微分后得到一个简单的含根号的有理函数,其积分可以轻易求出。
为什么取 u = arcsin 2x,而不是 u = 1?
在分部积分中,u 选择微分后简化的函数,dv 选择容易积分的部分。如果取 u = arcsin 2x,则 du = 2/√(1−4x²) dx——出现根号,但剩余积分化为表格形式 ∫ du/√u。如果取 u = 1、dv = arcsin 2x dx,就必须先求出 arcsin 2x 的原函数——也就是要解决同一个问题。根据 LIATE 规则(对数、反三角函数、代数函数、三角函数、指数函数),反三角函数在常数之前,因此取 u = arcsin 2x。
为什么 dv = dx,而不是简单的 1?
分部积分公式为 ∫ u dv = uv − ∫ v du。这里 dv 是函数 v 的微分,根据微分的定义 dv = v′(x) dx。本题中 dv = dx,因此 v = x。如果取「dv = 1」而没有 dx,则乘积 u · dv = arcsin 2x · 1 = arcsin 2x——没有因子 dx,不是微分。
步骤 3
代入分部积分公式:
步骤 4
为计算剩余的积分,将因子 2x 移到微分号内。注意到 d(1−4x²) = −8x dx,因此 2x dx = −(1/4) d(1−4x²)。此时积分化为表格形式:
步骤 5
因此,原函数的一般表达式为:
步骤 6
从条件 F(0) = 0 求出常数 C。当 x = 0 时:arcsin 0 = 0,√(1−0) = 1,因此:
步骤 7
由此 C = −1/2。所求的原函数为:
答案


