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Substitution Method for ∫ f(ax² + b)x dx | 形如∫ f(ax² + b)x dx 的换元积分法

2026-08-03 02:19 · 本文部分内容由AI辅助创作

📚 Substitution Method for ∫ f(ax² + b)x dx | 形如∫ f(ax² + b)x dx 的换元积分法

his article explains the method in detail, with worked examples and exam-focused insights.

在积分学中,换元法(也称 u-代换)是最强有力的技巧之一。在 IB 数学中,一种特别常见的模式是形如 ∫ f(ax² + b) x dx 的积分,其中的 x 因子使我们可以通过引入变量 u = ax² + b 来简化运算。本文详细解释该方法,并提供典型例题与考试要点。


1. Recognising the Pattern | 识别模式

The integrand contains a function of a quadratic expression ax² + b multiplied by x (or a constant multiple of x). Because the derivative of ax² + b is 2ax, the presence of x dx is the key clue for u-substitution.

被积函数包含一个关于二次式 ax² + b 的函数乘以 x(或 x 的常数倍)。因为 ax² + b 的导数是 2ax,所以 x dx 的出现是采用 u-代换的关键线索。

For instance, ∫ x sin(x² + 4) dx, ∫ x √3x² − 1 dx and ∫ x eˣ² dx all share this structure.

例如,∫ x sin(x² + 4) dx、∫ x √3x² − 1 dx 和 ∫ x eˣ² dx 都具有这种结构。


2. The Substitution u = ax² + b | 换元 u = ax² + b

= 1/(2a) du. This transforms the original integral into a much simpler one in terms of u.

设 u = ax² + b,可得 du/dx = 2ax,因此 du = 2ax dx。重新整理得到 x dx = 1/(2a) du。这样就将原积分化为关于 u 的简单积分。

∫ f(ax² + b) x dx = 1/(2a) ∫ f(u) du

The constant factor 1/(2a) can be taken outside the integral, and the problem reduces to integrating f(u) alone.

常数因子 1/(2a) 可以提到积分号外,问题归结为对 f(u) 积分。


3. Step-by-Step Procedure | 逐步步骤

Step 1: Identify the inner quadratic function inside the composition. Look for an expression of the form ax² + b inside another function, multiplied by x.

步骤 1:识别内层二次函数。找出嵌套在另一函数中的形如 ax² + b 的表达式,并确认其与 x 相乘。

Step 2: Set u = ax² + b and differentiate to find du/dx = 2ax, so du = 2ax dx.

步骤 2:令 u = ax² + b,求导得 du/dx = 2ax,从而 du = 2ax dx。

Step 3: Isolate the x dx term: x dx = du/(2a).

步骤 3:分离 x dx 项:x dx = du/(2a)。

Step 4: Substitute both the function and the x dx term into the integral.

步骤 4:将函数以及 x dx 项同时代入积分式。

Step 5: Integrate with respect to u. Remember to include the constant factor 1/(2a).

步骤 5:对 u 积分,记得保留常数因子 1/(2a)。

Step 6: or indefinite integrals, substitute back u = ax² + b to return to the original variable x.

步骤 6:对于不定积分,将 u = ax² + b 代回,还原为原变量 x。


4. Worked Example 1: Polynomial Function | 例 1:多项式函数

Evaluate ∫ x (x² + 3)⁴ dx.

计算 ∫ x (x² + 3)⁴ dx。

Let u = x² + 3. Then du/dx = 2x ⇒ du = 2x dx, so x dx = du/2.

令 u = x² + 3。则 du/dx = 2x ⇒ du = 2x dx,因此 x dx = du/2。

The integral becomes ½ ∫ u⁴ du = ½ × u⁵/5 + C = (1/10) u⁵ + C.

积分变为 ½ ∫ u⁴ du = ½ × u⁵/5 + C = (1/10) u⁵ + C。

Substituting back gives the final answer: (1/10)(x² + 3)⁵ + C.

代回后得到最终答案:(1/10)(x² + 3)⁵ + C。


5. Worked Example 2: Trigonometric Function | 例 2:三角函数

Find ∫ x cos(x² + 1) dx.

求 ∫ x cos(x² + 1) dx。

+ 1, so du = 2x dx and x dx = du/2. The integral simplifies to ½ ∫ cos u du = ½ sin u + C.

设 u = x² + 1,则 du = 2x dx,x dx = du/2。积分简化为 ½ ∫ cos u du = ½ sin u + C。

Replacing u gives the result: ½ sin(x² + 1) + C.

替换 u 得到结果:½ sin(x² + 1) + C。


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6. Worked Example 3: Exponential Function | 例 3:指数函数

Evaluate ∫ x eˣ² dx.

计算 ∫ x eˣ² dx。

Let u = x² ⇒ du = 2x dx ⇒ x dx = du/2. The integral becomes ½ ∫ eᵘ du = ½ eᵘ + C. Substitute back: ½ eˣ² + C.

令 u = x² ⇒ du = 2x dx ⇒ x dx = du/2。积分变为 ½ ∫ eᵘ du = ½ eᵘ + C。代回得 ½ eˣ² + C。


7. Handling a Coefficient of x That Differs from 2a | 处理 x 系数与 2a 不一致的情况

Sometimes the term multiplied by the function is not exactly x, but a constant multiple like 3x. You can still use the same substitution; just adjust the constant factor.

有时与函数相乘的项不恰好是 x,而是常数倍比如 3x。你仍然可以使用同样的换元,只需要调整常数因子即可。

Example: ∫ 3x √2x² + 5 dx. Let u = 2x² + 5, then du = 4x dx ⇒ x dx = du/4. Therefore 3x dx = 3 × du/4 = ¾ du.

例:∫ 3x √2x² + 5 dx。令 u = 2x² + 5,则 du = 4x dx ⇒ x dx = du/4。因此 3x dx = 3 × du/4 = ¾ du。

The integral becomes (3/4) ∫ √u du = (3/4) × (2/3) u³⁄² + C = ½ u³⁄² + C = ½ (2x² + 5)³⁄² + C.

积分变为 (3/4) ∫ √u du = (3/4) × (2/3) u³⁄² + C = ½ u³⁄² + C = ½ (2x² + 5)³⁄² + C。

Always extract any constant multiplier from the x-term before completing the substitution.

务必在完成换元前将 x-项的任何常数乘子提取出来。


8. Substitution for Definite Integrals | 定积分的换元

When the integral has limits, you must change the limits according to the substitution to avoid back-substitution. This often saves time and reduces errors.

当积分带有上下限时,你必须根据换元改变积分限,从而避免回代。这通常能节省时间并减少错误。

¹ x (x² + 1)³ dx. Use u = x² + 1. When x = 0, u = 1; when x = 1, u = 2. Also, x dx = du/2.

例:计算 ∫₀¹ x (x² + 1)³ dx。用 u = x² + 1。当 x = 0 时,u = 1;当 x = 1 时,u = 2。同时,x dx = du/2。

integral becomes ½ ∫₁² u³ du = ½ [¼ u⁴]₁² = ½ (¼·16 − ¼·1) = ½ (4 − ¼) = ½ × 15/4 = 15/8.

定积分变为 ½ ∫₁² u³ du = ½ [¼ u⁴]₁² = ½ (¼·16 − ¼·1) = ½ (4 − ¼) = ½ × 15/4 = 15/8。

Always write the new limits clearly on the integral sign when changing variables in a definite integral.

在定积分中换元时,始终要在积分号上清楚地写出新的上下限。


9. Common Pitfalls and How to Avoid Them | 常见错误及避免方法

Forgetting the constant 1/(2a). but forget to divide by 2a when isolating x dx. Always rewrite x dx = du/(2a) explicitly.

忘记常数 1/(2a)。很多学生写出 du = 2x dx 但忘记在分离 x dx 时除以 2a。要始终明确写出 x dx = du/(2a)。

Incorrect back-substitution. After integrating with respect to u, you must replace u with ax² + b. Double-check that every u becomes the original expression.

回代错误。对 u 积分后,必须用 ax² + b 替换 u。仔细检查每一个 u 是否都变回了原表达式。

Not changing limits in definite integrals. If you keep the x-limits while the variable is u, the evaluation will be wrong. Convert the limits as soon as you substitute.

定积分不换限。如果变量是 u 却仍然保留 x 的积分限,计算结果将是错误的。一旦换元,立即转换积分限。

Misreading the form. the x factor, the substitution u = ax² + b does not simplify the integral in the same way.

误判形式。该方法仅在积分包含 x dx(或其常数倍)时有效。如果没有 x 因子,换元 u = ax² + b 并不能以同样方式简化积分。


10. Exam Tips for IB Students | IB 考试技巧

In IB papers, this type of integral often appears inside area or volume of revolution problems. Look for a composition with an inner quadratic and an outer function multiplied by x.

在 IB 试卷中,此类积分常出现在面积或旋转体体积问题中。注意寻找内层为二次式、外层为某函数并与 x 相乘的复合结构。

Always show the substitution step clearly: write "Let u = ...", give du/dx, and explicitly state the transformed integral. This earns

Published by TutorHao | IB Mathematics Revision Series | aleveler.com

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