微积分学示例

$\int_{0}^{a^{\frac{1}{5}}} x^{9} \sqrt{a^{2} - x^{10}} d x$

解题步骤 1

使 $u = a^{2} - x^{10}$ 。然后使 $d u = - 10 x^{9} d x$ ，以便 $- \frac{1}{10} d u = x^{9} d x$ 。使用 $u$ 和 $d$ $u$ 进行重写。

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解题步骤 1.1

设 $u = a^{2} - x^{10}$ 。求 $\frac{d u}{d x}$ 。

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解题步骤 1.1.1

对 $a^{2} - x^{10}$ 求导。

$\frac{d}{d x} [a^{2} - x^{10}]$

解题步骤 1.1.2

求微分。

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解题步骤 1.1.2.1

根据加法法则， $a^{2} - x^{10}$ 对 $x$ 的导数是 $\frac{d}{d x} [a^{2}] + \frac{d}{d x} [- x^{10}]$ 。

$\frac{d}{d x} [a^{2}] + \frac{d}{d x} [- x^{10}]$

解题步骤 1.1.2.2

因为 $a^{2}$ 对于 $x$ 是常数，所以 $a^{2}$ 对 $x$ 的导数为 $0$ 。

$0 + \frac{d}{d x} [- x^{10}]$

解题步骤 1.1.3

计算 $\frac{d}{d x} [- x^{10}]$ 。

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解题步骤 1.1.3.1

因为 $- 1$ 对于 $x$ 是常数，所以 $- x^{10}$ 对 $x$ 的导数是 $- \frac{d}{d x} [x^{10}]$ 。

$0 - \frac{d}{d x} [x^{10}]$

解题步骤 1.1.3.2

使用幂法则求微分，根据该法则， $\frac{d}{d x} [x^{n}]$ 等于 $n x^{n - 1}$ ，其中 $n = 10$ 。

$0 - (10 x^{9})$

解题步骤 1.1.3.3

将 $10$ 乘以 $- 1$ 。

$0 - 10 x^{9}$

解题步骤 1.1.4

从 $0$ 中减去 $10 x^{9}$ 。

$- 10 x^{9}$

解题步骤 1.2

将下限代入替换 $u = a^{2} - x^{10}$ 中的 $x$ 。

$u_{lower} = a^{2} - 0^{10}$

解题步骤 1.3

化简。

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解题步骤 1.3.1

化简每一项。

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解题步骤 1.3.1.1

对 $0$ 进行任意正数次方的运算均得到 $0$ 。

$u_{lower} = a^{2} - 0$

解题步骤 1.3.1.2

将 $- 1$ 乘以 $0$ 。

$u_{lower} = a^{2} + 0$

解题步骤 1.3.2

将 $a^{2}$ 和 $0$ 相加。

$u_{lower} = a^{2}$

解题步骤 1.4

将上限代入替换 $u = a^{2} - x^{10}$ 中的 $x$ 。

$u_{upper} = a^{2} - {(a^{\frac{1}{5}})}^{10}$

解题步骤 1.5

化简。

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解题步骤 1.5.1

将 ${(a^{\frac{1}{5}})}^{10}$ 中的指数相乘。

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解题步骤 1.5.1.1

运用幂法则并将指数相乘， ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ 。

$u_{upper} = a^{2} - a^{\frac{1}{5} \cdot 10}$

解题步骤 1.5.1.2

约去 $5$ 的公因数。

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解题步骤 1.5.1.2.1

从 $10$ 中分解出因数 $5$ 。

$u_{upper} = a^{2} - a^{\frac{1}{5} \cdot (5 (2))}$

解题步骤 1.5.1.2.2

约去公因数。

$u_{upper} = a^{2} - a^{\frac{1}{5} \cdot (5 \cdot 2)}$

解题步骤 1.5.1.2.3

重写表达式。

$u_{upper} = a^{2} - a^{2}$

解题步骤 1.5.2

从 $a^{2}$ 中减去 $a^{2}$ 。

$u_{upper} = 0$

解题步骤 1.6

求得的 $u_{lower}$ 和 $u_{upper}$ 的值将用来计算定积分。

$u_{lower} = a^{2}$

$u_{upper} = 0$

解题步骤 1.7

使用 $u$ 、 $d u$ 以及积分的新极限重写该问题。

$\int_{a^{2}}^{0} \sqrt{u} \frac{1}{- 10} d u$

解题步骤 2

化简。

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解题步骤 2.1

将负号移到分数的前面。

$\int_{a^{2}}^{0} \sqrt{u} (- \frac{1}{10}) d u$

解题步骤 2.2

组合 $\sqrt{u}$ 和 $\frac{1}{10}$ 。

$\int_{a^{2}}^{0} - \frac{\sqrt{u}}{10} d u$

解题步骤 3

由于 $- 1$ 对于 $u$ 是常数，所以将 $- 1$ 移到积分外。

$- \int_{a^{2}}^{0} \frac{\sqrt{u}}{10} d u$

解题步骤 4

由于 $\frac{1}{10}$ 对于 $u$ 是常数，所以将 $\frac{1}{10}$ 移到积分外。

$- (\frac{1}{10} \int_{a^{2}}^{0} \sqrt{u} d u)$

解题步骤 5

使用 $\sqrt[n]{a^{x}} = a^{\frac{x}{n}}$ ，将 $\sqrt{u}$ 重写成 $u^{\frac{1}{2}}$ 。

$- \frac{1}{10} \int_{a^{2}}^{0} u^{\frac{1}{2}} d u$

解题步骤 6

根据幂法则， $u^{\frac{1}{2}}$ 对 $u$ 的积分是 $\frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}}$ 。

$- \frac{1}{10} \frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}}]_{a^{2}}^{0}$

解题步骤 7

代入并化简。

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解题步骤 7.1

计算 $\frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}}$ 在 $0$ 处和在 $a^{2}$ 处的值。

$- \frac{1}{10} ((\frac{2}{3} \cdot 0^{\frac{3}{2}}) - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2

化简。

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解题步骤 7.2.1

将 $0$ 重写为 $0^{2}$ 。

$- \frac{1}{10} (\frac{2}{3} \cdot {(0^{2})}^{\frac{3}{2}} - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2.2

运用幂法则并将指数相乘， ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ 。

$- \frac{1}{10} (\frac{2}{3} \cdot 0^{2 (\frac{3}{2})} - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2.3

约去 $2$ 的公因数。

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解题步骤 7.2.3.1

约去公因数。

$- \frac{1}{10} (\frac{2}{3} \cdot 0^{2 (\frac{3}{2})} - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2.3.2

重写表达式。

$- \frac{1}{10} (\frac{2}{3} \cdot 0^{3} - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2.4

对 $0$ 进行任意正数次方的运算均得到 $0$ 。

$- \frac{1}{10} (\frac{2}{3} \cdot 0 - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2.5

将 $\frac{2}{3}$ 乘以 $0$ 。

$- \frac{1}{10} (0 - \frac{2}{3} {(a^{2})}^{\frac{3}{2}})$

解题步骤 7.2.6

将 ${(a^{2})}^{\frac{3}{2}}$ 中的指数相乘。

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解题步骤 7.2.6.1

运用幂法则并将指数相乘， ${(a^{m})}^{n} = a^{m n}$ 。

$- \frac{1}{10} (0 - \frac{2}{3} a^{2 (\frac{3}{2})})$

解题步骤 7.2.6.2

约去 $2$ 的公因数。

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解题步骤 7.2.6.2.1

约去公因数。

$- \frac{1}{10} (0 - \frac{2}{3} a^{2 (\frac{3}{2})})$

解题步骤 7.2.6.2.2

重写表达式。

$- \frac{1}{10} (0 - \frac{2}{3} a^{3})$

解题步骤 7.2.7

从 $0$ 中减去 $\frac{2}{3} a^{3}$ 。

$- \frac{1}{10} (- \frac{2}{3} a^{3})$

解题步骤 7.2.8

组合 $a^{3}$ 和 $\frac{2}{3}$ 。

$- \frac{1}{10} (- \frac{a^{3} \cdot 2}{3})$

解题步骤 7.2.9

将 $- 1$ 乘以 $- 1$ 。

$1 (\frac{1}{10}) \frac{a^{3} \cdot 2}{3}$

解题步骤 7.2.10

将 $\frac{1}{10}$ 乘以 $1$ 。

$\frac{1}{10} \cdot \frac{a^{3} \cdot 2}{3}$

解题步骤 7.2.11

将 $\frac{1}{10}$ 乘以 $\frac{a^{3} \cdot 2}{3}$ 。

$\frac{a^{3} \cdot 2}{10 \cdot 3}$

解题步骤 7.2.12

将 $10$ 乘以 $3$ 。

$\frac{a^{3} \cdot 2}{30}$

解题步骤 7.2.13

将 $2$ 移到 $a^{3}$ 的左侧。

$\frac{2 \cdot a^{3}}{30}$

解题步骤 7.2.14

约去 $2$ 和 $30$ 的公因数。

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解题步骤 7.2.14.1

从 $2 a^{3}$ 中分解出因数 $2$ 。

$\frac{2 (a^{3})}{30}$

解题步骤 7.2.14.2

约去公因数。

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解题步骤 7.2.14.2.1

从 $30$ 中分解出因数 $2$ 。

$\frac{2 a^{3}}{2 \cdot 15}$

解题步骤 7.2.14.2.2

约去公因数。

$\frac{2 a^{3}}{2 \cdot 15}$

解题步骤 7.2.14.2.3

重写表达式。

$\frac{a^{3}}{15}$

解题步骤 8

重新排序项。

$\frac{1}{15} a^{3}$

解题步骤 9

组合 $\frac{1}{15}$ 和 $a^{3}$ 。

$\frac{a^{3}}{15}$

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