Sử dụng phương pháp nguyên hàm từng phần để tìm nguyên hàm
Kỳ thi ĐGNL ĐHQG Hà Nội
Cho hàm số \(f\left( x \right)\) có đạo hàm liên tục trên \(\mathbb{R}\) và \(f\left( 1 \right) = 0\), \(F\left( x \right) = {\left[ {f\left( x \right)} \right]^{2020}}\) là một nguyên hàm của \(2020x.{e^x}\). Họ các nguyên hàm của \({f^{2020}}\left( x \right)\) là:
Vì \(F\left( x \right) = {\left[ {f\left( x \right)} \right]^{2020}}\) là một nguyên hàm của \(2020x.{e^x}\) nên
\(\begin{array}{l}F'\left( x \right) = 2020x.{e^x}\\ \Leftrightarrow 2020{f^{2019}}\left( x \right).f'\left( x \right) = 2020x.{e^x}\\ \Leftrightarrow {f^{2019}}\left( x \right).f'\left( x \right) = x.{e^x}\end{array}\)
Lấy nguyên hàm hai vế ta được:
\(\begin{array}{l}\int {{f^{2019}}\left( x \right).f'\left( x \right)dx} = \int {x.{e^x}dx} \\ \Leftrightarrow \int {{f^{2019}}\left( x \right)d\left[ {f\left( x \right)} \right]} = x.{e^x} - \int {{e^x}dx} \\ \Leftrightarrow \dfrac{{{f^{2020}}\left( x \right)}}{{2020}} = x.{e^x} - {e^x} + C\\ \Leftrightarrow {f^{2020}}\left( x \right) = 2020\left( {x - 1} \right){e^x} + 2020C\end{array}\)
Có \(f\left( 1 \right) = 1 \Leftrightarrow 0 = 2020C \Leftrightarrow C = 0\), do đó \({f^{2020}}\left( x \right) = 2020\left( {x - 1} \right){e^x}\).
\( \Rightarrow I = \int {{f^{2020}}\left( x \right)dx} = \int {2020\left( {x - 1} \right){e^x}dx} \).
Đặt \(\left\{ \begin{array}{l}u = x - 1\\dv = {e^x}dx\end{array} \right. \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}du = dx\\v = {e^x}\end{array} \right.\).
Khi đó
\(\begin{array}{l}\,\,\,\,\,\,I = 2020\left[ {\left( {x - 1} \right){e^x} - \int {{e^x}dx} + C} \right]\\ \Leftrightarrow I = 2020\left[ {\left( {x - 1} \right){e^x} - {e^x} + C} \right]\\ \Leftrightarrow I = 2020\left[ {\left( {x - 2} \right){e^x} + C} \right]\\ \Leftrightarrow I = 2020\left( {x - 2} \right){e^x} + C\end{array}\)
Cho hàm số \(f\left( x \right)\) có đạo hàm liên tục trên \(\mathbb{R}\) và \(f\left( 0 \right) = 1\), \(F\left( x \right) = f\left( x \right) - {e^x} - x\) là một nguyên hàm của \(f\left( x \right)\). Họ các nguyên hàm của \(f\left( x \right)\) là:
Ta có:
\(\begin{array}{l}F'\left( x \right) = f\left( x \right)\\ \Leftrightarrow f'\left( x \right) - {e^x} - 1 = f\left( x \right)\\ \Leftrightarrow f'\left( x \right) - f\left( x \right) = {e^x} + 1\\ \Leftrightarrow {e^{ - x}}.f'\left( x \right) - {e^{ - x}}.f\left( x \right) = 1 + {e^{ - x}}\\ \Leftrightarrow \left[ {{e^{ - x}}.f\left( x \right)} \right]' = 1 + {e^{ - x}}\\ \Leftrightarrow \int {\left[ {{e^{ - x}}.f\left( x \right)} \right]'dx} = \int {\left( {1 + {e^{ - x}}} \right)dx} \\ \Leftrightarrow {e^{ - x}}.f\left( x \right) = x - {e^{ - x}} + C\\ \Leftrightarrow f\left( x \right) = x.{e^x} - 1 + C.{e^x}\end{array}\)
Thay \(x = 0\) ta có: \(f\left( 0 \right) = - 1 + C = 1 \Leftrightarrow C = 2\).
\(\begin{array}{l} \Rightarrow f\left( x \right) = x.{e^x} - 1 + 2{e^x} = \left( {x + 2} \right){e^x} - 1\\ \Rightarrow \int {f\left( x \right)dx} = \int {\left[ {\left( {x + 2} \right){e^x} - 1} \right]dx} \\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, = \int {\left( {x + 2} \right){e^x}dx} - \int {dx} \\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, = \left( {x + 2} \right){e^x} - \int {{e^x}dx} - x + C\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, = \left( {x + 2} \right){e^x} - {e^x} - x + C\\\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, = \left( {x + 1} \right){e^x} - x + C\end{array}\)
