Calculus · real student question

จงหาปริพันธ์ไม่จำกัดเขตของ x กำลังสอง คูณกับ e ยกกำลัง x เทียบกับ x

Question

จงหาปริพันธ์ไม่จำกัดเขต

x2exdx\int x^2e^x\,dx

Step-by-step solution

  1. มองให้ออกว่าเป็นผลคูณแบบใด แล้วเลือก uu ให้พหุนามหดลง ตัวถูกอินทิเกรตเป็นพหุนามคูณกับฟังก์ชันเลขชี้กำลัง ซึ่งเป็นสัญญาณคลาสสิกของ การอินทิเกรตทีละส่วน

    udv=uvvdu\int u\,dv=uv-\int v\,du

    เลือก u=x2u=x^2 และ dv=exdxdv=e^x\,dx เหตุผลคือการหาอนุพันธ์ของ x2x^2 จะ ลด ดีกรีของมัน ขณะที่ exe^x ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่ออินทิเกรต การใช้สูตรแต่ละรอบจึงพาเราเข้าใกล้ปริพันธ์ที่ทำได้จริงเสมอ ถ้าเลือกกลับกัน (u=exu=e^x) จะยกกำลังขึ้นเป็น x3x^3 และทำให้โจทย์แย่ลง

  2. ใช้สูตรรอบแรก เมื่อ u=x2u=x^2 และ dv=exdxdv=e^x\,dx จะได้ du=2xdxdu=2x\,dx และ v=exv=e^x ดังนั้น

    x2exdx=x2exex2xdx=x2ex2xexdx\int x^2e^x\,dx=x^2e^x-\int e^x\cdot 2x\,dx=x^2e^x-2\int xe^x\,dx

    ปริพันธ์ที่เหลือมีรูปร่างเดิม แต่เปลี่ยนจาก x2x^2 เป็น xx ดีกรีลดลงหนึ่งพอดีตามแผน

  3. ใช้สูตรรอบที่สองกับ xexdx\int xe^x\,dx ให้ u=xu=x, dv=exdxdv=e^x\,dx ดังนั้น du=dxdu=dx และ v=exv=e^x

    xexdx=xexexdx=xexex\int xe^x\,dx=xe^x-\int e^x\,dx=xe^x-e^x

    โดยทั่วไป xnexdx\int x^n e^x\,dx ต้องทำ nn รอบ เพราะดีกรีลดลงหนึ่งทุกครั้ง ในที่นี้ n=2n=2 จึงต้องทำสองรอบพอดี

  4. แทนกลับแล้วจัดรูป ใส่ผลของรอบที่สองกลับเข้าไปในรอบแรก

    x2exdx=x2ex2(xexex)=x2ex2xex+2ex\int x^2e^x\,dx=x^2e^x-2\big(xe^x-e^x\big)=x^2e^x-2xe^x+2e^x

    ดึงตัวประกอบร่วม exe^x ออกมาได้รูปที่เรียบร้อย

    x2exdx=ex(x22x+2)+C\int x^2e^x\,dx=e^x\left(x^2-2x+2\right)+C

    อย่าลืมค่าคงตัว CC ซึ่งเติมเพียงครั้งเดียวตอนท้ายสุด ไม่ใช่เติมหลังทุกรอบ

  5. ตรวจคำตอบด้วยการหาอนุพันธ์ นี่คือการตรวจที่ใช้ได้เสมอสำหรับปริพันธ์ไม่จำกัดเขต โดยกฎผลคูณ

    ddx[ex(x22x+2)]=ex(x22x+2)+ex(2x2)=ex(x22x+2+2x2)=x2ex\frac{d}{dx}\Big[e^x\big(x^2-2x+2\big)\Big]=e^x\big(x^2-2x+2\big)+e^x\big(2x-2\big)=e^x\big(x^2-2x+2+2x-2\big)=x^2e^x

    พจน์เชิงเส้นสองก้อนตัดกัน และเราได้ตัวถูกอินทิเกรตเดิมกลับมาพอดี ปฏิยานุพันธ์จึงถูกต้อง

  6. จำแบบรูปไว้ใช้ซ้ำ โครงสร้างเครื่องหมายสลับนี้ขยายผลได้

    xnexdx=ex(xnnxn1+n(n1)xn2±n!)+C\int x^ne^x\,dx=e^x\left(x^n-nx^{n-1}+n(n-1)x^{n-2}-\cdots\pm n!\right)+C

    สำหรับ n=2n=2 อ่านได้เป็น ex(x22x+2)+Ce^x(x^2-2x+2)+C ตรงกับที่เราหาไว้ การจำแบบรูปนี้ทำให้เขียน x3exdx=ex(x33x2+6x6)+C\int x^3e^x\,dx=e^x(x^3-3x^2+6x-6)+C ได้ทันทีโดยไม่ต้องทำงานซ้ำสามรอบ

Answer

ex(x22x+2)+Ce^x\left(x^2-2x+2\right)+C

Need to solve a different problem like this? Open the solver →