求 ln⁡(3xx2+1)\ln\left(\frac{3x}{x^2+1}\right) 关于 xx 的导数。 由此求出 ∫2xx2+1 dx\displaystyle \int \frac{2x}{x^2+1}\,dx。

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完整解法

1(a)

1. Simplify the logarithmic expression using laws of logarithms

ln⁡(3xx2+1)=ln⁡(3x)−ln⁡(x2+1)\ln\left(\frac{3x}{x^2+1}\right) = \ln(3x) - \ln(x^2+1)

2. Differentiate the simplified expression term by term

ddx[ln⁡(3x)−ln⁡(x2+1)]=13x⋅3−1x2+1⋅2x\frac{d}{dx}[\ln(3x) - \ln(x^2+1)] = \frac{1}{3x} \cdot 3 - \frac{1}{x^2+1} \cdot 2x

3. Simplify the derivative

=1x−2xx2+1= \frac{1}{x} - \frac{2x}{x^2+1}

答案

1x−2xx2+1\frac{1}{x} - \frac{2x}{x^2+1}

1(b)

1. State the derivative from part (a)

From part (a),
ddxln⁡(3xx2+1)=ddx(ln⁡3x−ln⁡(x2+1))=1x−2xx2+1\frac{d}{dx} \ln\left(\frac{3x}{x^2+1}\right) = \frac{d}{dx} (\ln 3x - \ln(x^2+1)) = \frac{1}{x} - \frac{2x}{x^2+1}

2. Integrate both sides with respect to $x$

∫(1x−2xx2+1)dx=ln⁡(3xx2+1)+c1\int \left( \frac{1}{x} - \frac{2x}{x^2+1} \right) dx = \ln\left(\frac{3x}{x^2+1}\right) + c_1
∫1xdx−∫2xx2+1dx=ln⁡(3xx2+1)+c1\int \frac{1}{x} dx - \int \frac{2x}{x^2+1} dx = \ln\left(\frac{3x}{x^2+1}\right) + c_1

3. Rearrange to find the required integral and simplify

∫2xx2+1dx=ln⁡x−ln⁡(3xx2+1)+c2\int \frac{2x}{x^2+1} dx = \ln x - \ln\left(\frac{3x}{x^2+1}\right) + c_2
=ln⁡x−(ln⁡3+ln⁡x−ln⁡(x2+1))+c2= \ln x - (\ln 3 + \ln x - \ln(x^2+1)) + c_2
=ln⁡(x2+1)−ln⁡3+c2= \ln(x^2+1) - \ln 3 + c_2
=ln⁡(x2+1)+C= \ln(x^2+1) + C

答案

ln⁡(x2+1)+C\ln(x^2+1) + C

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