微积分学示例

$\int \frac{x^{2}}{\sqrt{9 - x^{2}}} d x$

解题步骤 1

使 $x = 3 \sin (t)$ ，其中 $- \frac{π}{2} \leq t \leq \frac{π}{2}$ 。然后使 $d x = 3 \cos (t) d t$ 。请注意，因为 $- \frac{π}{2} \leq t \leq \frac{π}{2}$ ，所以 $3 \cos (t)$ 为正数。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 - {(3 \sin (t))}^{2}}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2

化简项。

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解题步骤 2.1

化简 $\sqrt{9 - {(3 \sin (t))}^{2}}$ 。

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解题步骤 2.1.1

化简每一项。

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解题步骤 2.1.1.1

对 $3 \sin (t)$ 运用乘积法则。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 - (3^{2} \sin^{2} (t))}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.1.2

对 $3$ 进行 $2$ 次方运算。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 - (9 \sin^{2} (t))}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.1.3

将 $9$ 乘以 $- 1$ 。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 - 9 \sin^{2} (t)}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.2

从 $9$ 中分解出因数 $9$ 。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 (1) - 9 \sin^{2} (t)}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.3

从 $- 9 \sin^{2} (t)$ 中分解出因数 $9$ 。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 (1) + 9 (- \sin^{2} (t))}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.4

从 $9 (1) + 9 (- \sin^{2} (t))$ 中分解出因数 $9$ 。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 (1 - \sin^{2} (t))}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.5

使用勾股恒等式。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{9 \cos^{2} (t)}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.6

将 $9 \cos^{2} (t)$ 重写为 ${(3 \cos (t))}^{2}$ 。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{{(3 \cos (t))}^{2}}} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.1.7

假设各项均为正实数，从根式下提出各项。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{3 \cos (t)} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.2

通过约去公因数来化简表达式。

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解题步骤 2.2.1

约去 $3 \cos (t)$ 的公因数。

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解题步骤 2.2.1.1

约去公因数。

$\int \frac{{(3 \sin (t))}^{2}}{3 \cos (t)} (3 \cos (t)) d t$

解题步骤 2.2.1.2

重写表达式。

$\int {(3 \sin (t))}^{2} d t$

解题步骤 2.2.2

化简。

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解题步骤 2.2.2.1

从 $3 \sin (t)$ 中分解出因数 $3$ 。

$\int {(3 (\sin (t)))}^{2} d t$

解题步骤 2.2.2.2

对 $3 (\sin (t))$ 运用乘积法则。

$\int 3^{2} \sin^{2} (t) d t$

解题步骤 2.2.2.3

对 $3$ 进行 $2$ 次方运算。

$\int 9 \sin^{2} (t) d t$

解题步骤 3

由于 $9$ 对于 $t$ 是常数，所以将 $9$ 移到积分外。

$9 \int \sin^{2} (t) d t$

解题步骤 4

使用半角公式将 $\frac{1 - \cos (2 t)}{2}$ 重新书写为 $\sin^{2} (t)$ 的形式。

$9 \int \frac{1 - \cos (2 t)}{2} d t$

解题步骤 5

由于 $\frac{1}{2}$ 对于 $t$ 是常数，所以将 $\frac{1}{2}$ 移到积分外。

$9 (\frac{1}{2} \int 1 - \cos (2 t) d t)$

解题步骤 6

组合 $\frac{1}{2}$ 和 $9$ 。

$\frac{9}{2} \int 1 - \cos (2 t) d t$

解题步骤 7

将单个积分拆分为多个积分。

$\frac{9}{2} (\int d t + \int - \cos (2 t) d t)$

解题步骤 8

应用常数不变法则。

$\frac{9}{2} (t + C + \int - \cos (2 t) d t)$

解题步骤 9

由于 $- 1$ 对于 $t$ 是常数，所以将 $- 1$ 移到积分外。

$\frac{9}{2} (t + C - \int \cos (2 t) d t)$

解题步骤 10

使 $u = 2 t$ 。然后使 $d u = 2 d t$ ，以便 $\frac{1}{2} d u = d t$ 。使用 $u$ 和 $d$ $u$ 进行重写。

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解题步骤 10.1

设 $u = 2 t$ 。求 $\frac{d u}{d t}$ 。

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解题步骤 10.1.1

对 $2 t$ 求导。

$\frac{d}{d t} [2 t]$

解题步骤 10.1.2

因为 $2$ 对于 $t$ 是常数，所以 $2 t$ 对 $t$ 的导数是 $2 \frac{d}{d t} [t]$ 。

$2 \frac{d}{d t} [t]$

解题步骤 10.1.3

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

$2 \cdot 1$

解题步骤 10.1.4

将 $2$ 乘以 $1$ 。

$2$

解题步骤 10.2

使用 $u$ 和 $d u$ 重写该问题。

$\frac{9}{2} (t + C - \int \cos (u) \frac{1}{2} d u)$

解题步骤 11

组合 $\cos (u)$ 和 $\frac{1}{2}$ 。

$\frac{9}{2} (t + C - \int \frac{\cos (u)}{2} d u)$

解题步骤 12

由于 $\frac{1}{2}$ 对于 $u$ 是常数，所以将 $\frac{1}{2}$ 移到积分外。

$\frac{9}{2} (t + C - (\frac{1}{2} \int \cos (u) d u))$

解题步骤 13

$\cos (u)$ 对 $u$ 的积分为 $\sin (u)$ 。

$\frac{9}{2} (t + C - \frac{1}{2} (\sin (u) + C))$

解题步骤 14

化简。

$\frac{9}{2} (t - \frac{1}{2} \sin (u)) + C$

解题步骤 15

代回替换每一个积分法替换变量。

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解题步骤 15.1

使用 $\arcsin (\frac{x}{3})$ 替换所有出现的 $t$ 。

$\frac{9}{2} (\arcsin (\frac{x}{3}) - \frac{1}{2} \sin (u)) + C$

解题步骤 15.2

使用 $2 t$ 替换所有出现的 $u$ 。

$\frac{9}{2} (\arcsin (\frac{x}{3}) - \frac{1}{2} \sin (2 t)) + C$

解题步骤 15.3

使用 $\arcsin (\frac{x}{3})$ 替换所有出现的 $t$ 。

$\frac{9}{2} (\arcsin (\frac{x}{3}) - \frac{1}{2} \sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))) + C$

解题步骤 16

化简。

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解题步骤 16.1

组合 $\sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))$ 和 $\frac{1}{2}$ 。

$\frac{9}{2} (\arcsin (\frac{x}{3}) - \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{2}) + C$

解题步骤 16.2

运用分配律。

$\frac{9}{2} \arcsin (\frac{x}{3}) + \frac{9}{2} (- \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{2}) + C$

解题步骤 16.3

组合 $\frac{9}{2}$ 和 $\arcsin (\frac{x}{3})$ 。

$\frac{9 \arcsin (\frac{x}{3})}{2} + \frac{9}{2} (- \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{2}) + C$

解题步骤 16.4

乘以 $\frac{9}{2} (- \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{2})$ 。

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解题步骤 16.4.1

将 $\frac{9}{2}$ 乘以 $\frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{2}$ 。

$\frac{9 \arcsin (\frac{x}{3})}{2} - \frac{9 \sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{2 \cdot 2} + C$

解题步骤 16.4.2

将 $2$ 乘以 $2$ 。

$\frac{9 \arcsin (\frac{x}{3})}{2} - \frac{9 \sin (2 \arcsin (\frac{x}{3}))}{4} + C$

解题步骤 17

重新排序项。

$\frac{9}{2} \arcsin (\frac{1}{3} x) - \frac{9}{4} \sin (2 \arcsin (\frac{1}{3} x)) + C$

微积分学 示例

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