高等数学-积分

高等数学-积分

SunnyDusk Lv3

一元函数积分学

不定积分

原函数与不定积分的概念及性质

积分是求导的逆运算,不定积分的本质就是已知导数(微分)求原函数的过程。

  1. 原函数
    如果F′(x)=f(x)F'(x)=f(x)或者dF(x)=f(x)dxdF(x)=f(x)dx,则称函数F(x)F(x)为函数f(x)f(x)的一个原函数。
    原函数存在定理:如果函数在某区间内连续,则其在该区间内必有原函数;
    原函数性质:如果函数f(x)f(x)有一个原函数F(x)F(x),那么它一定有无数个原函数;
    原函数之间相差一个常数;f(x)f(x)的全体原函数可以表示为F(x)+CF(x)+C{\color{Red} } ,其中CC为任意常数。
  2. 不定积分
    函数f(x)f(x)的全体原函数即称为f(x)f(x)的不定积分,记为∫f(x)dx\int f(x)dx;
    其中∫\int 为积分号,f(x)f(x)为被积函数,f(x)dxf(x)dx为被积表达式,xx为积分变量。
    若函数f(x)f(x)为f(x)f(x)的一个原函数,则有:∫f(x)dx=F(x)+C\int f(x)dx=F(x)+C。
    练习:
    (1). 求∫x3dx\int x^3dx
    解:=x44+C=\frac{x^4}{4}+C
    (2). 求∫exdx\int e^xdx
    解:ex+Ce^x+C
    (3). 求∫11+x2dx\int \frac{1}{1+x^2}dx
    解:arctan⁡x+C\arctan x +C
    (4). 求∫1xdx\int \frac{1}{x}dx
    解:ln⁡∣x∣+C\ln|x|+C{\color{Orange} }
  3. 基本积分公式:
    (1). ∫kdx=kx+C\int kdx=kx+C
    (2). ∫xμdx=xμ+1μ+1+C\int x^\mu dx=\frac{x^{\mu +1} }{\mu +1} +C
    (3). ∫1xdx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{1}{x} dx=\ln |x|+C
    (4). ∫exdx=ex+C\int e^x dx=e^x+C
    (5). ∫11+x2dx=arctan⁡x+C\int \frac{1}{1+x^2} dx=\arctan x+C
    (6). ∫11−x2dx=arcsin⁡x+C\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2} } dx=\arcsin x+C
    (7). ∫cos⁡xdx=sin⁡x+C\int \cos x dx=\sin x+C
    (8). ∫sin⁡xdx=−cos⁡x+C\int \sin x dx=-\cos x+C
    (9). ∫1cos⁡2xdx=∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C\int \frac{1}{\cos^2x} dx=\int \sec^2 xdx=\tan x+C
    (10). ∫1sin⁡2xdx=∫csc⁡2xdx=−cot⁡x+C\int \frac{1}{\sin^2x} dx=\int \csc^2 xdx=-\cot x+C
    (11). ∫sec⁡xtan⁡xdx=sec⁡x+C\int \sec x \tan x dx=\sec x+C
    (12). ∫csc⁡xcot⁡xdx=−cot⁡x+C\int \csc x \cot x dx=-\cot x+C
  4. 不定积分的性质
    (1). 设函数f(x)f(x)及g(x)g(x)的原函数存在,则∫[f(x)±g(x)]dx=∫f(x)dx±∫g(x)dx\int [f(x) \pm g(x)]dx=\int f(x)dx \pm \int g(x)dx。
    (2). 设函数f(x)f(x)的原函数存在,kk为非零常数,则∫kf(x)dx=k∫f(x)dx\int kf(x)dx=k \int f(x)dx。
    (3). 设函数f(x)f(x)的原函数存在,则[∫f(x)dx]′=f(x);d[∫f(x)dx]=f(x)dx[\int f(x)dx]'=f(x);d[\int f(x)dx]=f(x)dx。
    (4). 设函数f(x)f(x)可导,则∫f′(x)dx=f(x)+C;∫df(x)=f(x)+C\int f'(x)dx=f(x)+C;\int df(x)=f(x)+C。
    规律1:先积后导=本身;先积后微=本身dxdx;先导/微后积=本身+CC。
    规律2:最外层是dd则有dxdx,最外层是∫\int 则有CC,最外层是′'则没dxdx也没CC。


    例题1:设f(x)f(x)可导,则下列等式正确的是( D );
    A. ∫f′(x)dx=f(x)\int f'(x)dx=f(x)
    B. d[∫f(x)dx]=f(x)d[\int f(x) dx]=f(x)
    C. [∫f(x)dx]′=f(x)+C[\int f(x) dx]'=f(x)+C
    D. ddx[∫f(x)dx]=f(x)\frac{d}{dx} [\int f(x) dx]=f(x)
    解析:有两个规律,A最外层为∫\int 最后没有CC,错误;
    B最外层为d,最后没有dxdx,错误;
    C最外层导数,最后没有有dxdx,正确;
    例题2:设e−xe^{-x}是函数f(x)f(x)的一个原函数,则下列等式正确的是( D );
    A. ∫f′(x)dx=e−x\int f'(x)dx=e^{-x}
    B. ∫f(x)dx=e−x\int f(x)dx=e^{-x}
    C. d[∫f′(x)dx]′=e−xdxd[\int f'(x) dx]'=e^{-x}dx
    D. d[∫f(x)dx]=−e−xdxd [\int f(x) dx]=-e^{-x}dx
    解析:A、B最外层为∫\int ,最后没有CC,错误;
    例题3:若f(x)f(x)的一个原函数是cos⁡x\cos x,则f′(x)=f'(x)=();
    A. sin⁡x\sin x
    B. −sin⁡x-\sin x
    C. −cos⁡x-\cos x
    D. cos⁡x\cos x
    解析:cos⁡x→−sin⁡x→−cos⁡x\cos x \to -\sin x \to -\cos x
    例题4:设F(x)F(x)为ln⁡cos⁡x\ln \cos x的一个原函数,则dF(x)=dF(x)=(ln⁡cos⁡xdx\ln \cos x dx{\color{Red} } );
    例题5:设f(x)f(x)可导,则d[∫f(2x)dx]=d[\int f(2x)dx]=(C);
    A. f(2x)f(2x) B. f(2x)+Cf(2x)+C C. f(2x)dxf(2x)dx D. f′(2x)dxf'(2x)dx
    解析:A,B最外层为dd,最后没有dxdx,错误;

直接积分法

根据基本积分公式以及第一第二基本性质;
例题1:求∫(ex−3cos⁡x)dx\int (e^x-3\cos x)dx
解:原式=∫exdx−3∫cos⁡xdx=\int e^xdx-3\int \cos x dx
=ex−3sin⁡x+C=e^x-3\sin x+C
例题2:求∫x(x2−5)dx\int \sqrt{x}(x^2-5)dx
解:原式=∫(x52−5x12)dx=\int (x^{\frac{5}{2}}-5x^{\frac{1}{2} })dx
∫x52dx−5∫x12\int x^{\frac{5}{2} }dx-5\int x^{\frac{1}{2} }
=27x72−103x32+C=\frac{2}{7}x^{\frac{7}{2} }-\frac{10}{3}x^{\frac{3}{2} }+C
=27x72−103x+C=\frac{2}{7}x^{\frac{7}{2} }-\frac{10}{3}\sqrt{x}+C
例题3:求∫dxx3\int \frac{dx}{x^3}
解:原式=∫1x3dx=\int \frac{1}{x^{3} }dx
=−x−22+C=-\frac{x-2}{2}+C
=−12x2+C=-\frac{1}{2x^2}+C
例题4:求∫dxx3x3dx\int \frac{dx}{x^3\sqrt[3]{x} }dx
解:原式=∫x−43dx=\int x^{-\frac{4}{3} }dx
=x−13−13+C=\frac{x^{-\frac{1}{3} } }{-\frac{1}{3} }+C
=−3x3+C=-\frac{3}{\sqrt[3]{x} }+C
例题5:求∫(21+x2−121−x2+3x)dx\int (\frac{2}{1+x^2}-\frac{1}{2\sqrt{1-x^2} }+\frac{3}{x} )dx
解:原式=2∫11+x2dx−12∫11−x2dx+3∫1xdx=2\int \frac{1}{1+x^2}dx-\frac{1}{2}\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2} }dx+3\int \frac{1}{x}dx
=2arctan⁡x−12arcsin⁡x+3ln⁡∣x∣+C=2\arctan x-\frac{1}{2} \arcsin x+3\ln |x|+C


利用平方差、立方差、完全平方、三角恒等式、二倍角公式等对被积函数进行恒等变形,拆分成可以直接积分的和或差的形式。
例题6:求∫(x−x3)2dx\int (\sqrt{x}-\sqrt[3]{x} )^2dx
解:原式=∫((x)2+(x3)2−2x⋅x3)dx=\int ((\sqrt{x} )^2+(\sqrt[3]{x})^2-2\sqrt{x} \cdot \sqrt[3]{x} )dx
=∫(x+x23−2x56dx=\int (x +x^{\frac{2}{3} } -2x^{\frac{5}{6} }dx
=12x2+x5353−2x116116+C=\frac{1}{2}x^2+\frac{x^{\frac{5}{3} } }{\frac{5}{3} }-2\frac{x^{\frac{11}{6} } }{\frac{11}{6} }+C
=12x2+35x53−1211x116+C=\frac{1}{2}x^2+\frac{3}{5}x^{\frac{5}{3} }-\frac{12}{11}x^{\frac{11}{6} }+C
例题7:求∫(x−1)3x2dx\int \frac{(x-1)^3}{x^2}dx
二项式定理
解:原式=∫x3−3x2+3x−1x2dx=\int \frac{x^3-3x^2+3x-1}{x^2}dx
=∫(x−3+3x−1x2)dx=\int (x-3+\frac{3}{x}-\frac{1}{x^2} )dx
=12x2−3x+3ln⁡∣x∣+1x+C=\frac{1}{2}x^2-3x+3\ln |x|+\frac{1}{x}+C
例题8:求∫2+3x21+x2dx\int \frac{2+3x^2}{1+x^2}dx
解:原式=∫3+3x2−11+x2dx=\int \frac{3+3x^2-1}{1+x^2}dx
=∫(3+11+x2)dx=\int (3+\frac{1}{1+x^2} )dx
=3x−arctan⁡x+C=3x-\arctan x+C
例题9:求∫1x2−5x+6dx\int \frac{1}{x^2-5x+6}dx
解:原式=∫1(x−3)(x−2)dx=\int \frac{1}{(x-3)(x-2)}dx
解析1(x−2)(z−3)⟶ax−2−bx−3{\color{Violet} \frac{1}{(x-2)(z-3)} \longrightarrow \frac{a}{x-2}-\frac{b}{x-3 } }
求出a,ba,b,得a=b=−1a=b=-1
=∫(1x−3−1x−2)dx=\int (\frac{1}{x-3}-\frac{1}{x-2} )dx
=ln⁡∣x−3∣−ln⁡∣x−2∣+C=\ln |x-3|-\ln |x-2|+C
=ln⁡∣x−3x−2∣+C=\ln |\frac{x-3}{x-2} |+C
例题10:求∫cos⁡2xcos⁡2xsin⁡2xdx\int \frac{\cos 2x}{\cos^2x \sin^2x}dx
二倍角公式:cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x=2cos⁡2x−1=1−2sin⁡2x{\color{Red} \cos 2x=\cos^2x-\sin^2x}=2\cos^2x-1=1-2\sin^2x
使用公式:∫1cos⁡2xdx=∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C{\color{Blue} \int \frac{1}{\cos^2x}dx=\int \sec^2xdx=\tan x+C }
∫1sin⁡2xdx=∫csc⁡2xdx=−cot⁡x+C{\color{Blue} \int \frac{1}{\sin^2x}dx=\int \csc^2xdx=-\cot x+C }
=∫(1sin⁡2x−1cos⁡2x)dx=\int (\frac{1}{\sin^2x}-\frac{1}{\cos^2x} )dx
解:原式 =∫cos⁡2x−sin⁡2xcos⁡2xsin⁡2xdx=\int \frac{\cos^2x-\sin^2x}{\cos^2x \sin^2x}dx
=∫(1sin⁡2x−1cos⁡2x)dx=\int (\frac{1}{\sin^2x}-\frac{1}{\cos^2x} )dx
=−cot⁡x−tan⁡x+C=-\cot x-\tan x+C
例题11:求∫sin⁡2x2dx\int \sin^2\frac{x}{2}dx
有二倍角公式cos⁡2x=1−2sin⁡2x\cos 2x=1-2\sin^2x
令x=x2x=\frac{x}{2}
有cos⁡x=1−2sin⁡2x2\cos x=1-2\sin^2\frac{x}{2}
sin⁡2x2=1−cos⁡x2\sin^2\frac{x}{2}=\frac{1-\cos x}{2}
解:原式=∫(12−12cos⁡x)dx=\int (\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos x)dx
=12x−12sin⁡x+C=\frac{1}{2}x-\frac{1}{2}\sin x+C
例题12:求∫tan⁡2xdx\int \tan^2xdx
有公式tan⁡2x=sec⁡2x−1\tan^2x=\sec^2x-1
∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C\int \sec^2xdx=\tan x+C
解:原式=∫(sec⁡2x−1)dx=tan⁡x−x+C=\int (\sec^2x-1)dx=\tan x-x+C
基本代数式,可做恒等变形:
(1). (a+b)2=a2+2ab+b2{\color{Red} (a+b)^2=a^2+2ab+b^2}
(2). (a−b)2=a2−2ab+b2{\color{Red} (a-b)^2=a^2-2ab+b^2}
(3). (a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3{\color{Red} (a+b)^3=a^3+3a^2b+3ab^2+b^3}
(4). (a−b)3=a3−3a2b+3ab2−b3{\color{Red} (a-b)^3=a^3-3a^2b+3ab^2-b^3}
(5). a2−b2=(a+b)(a−b){\color{Red} a^2-b^2=(a+b)(a-b)}
(6). a3−b3=(a−b)(a2+ab+b2){\color{Red} a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)}
(7). a3+b3=(a+b)(a2−ab+b2){\color{Red} a^3+b^3=(a+b)(a^2-ab+b^2)}


(a).cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x=2cos⁡2x−1=1−2sin⁡2x{\color{Purple} \cos 2x=\cos^2x-\sin^2x=2\cos^2x-1=1-2\sin^2x}
(b). sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x{\color{Purple} \sin 2x=2\sin x \cos x}
(c). sin⁡x2+cos⁡x2=1{\color{Purple} \sin x^2+\cos x^2 =1}
(d). tan⁡x2+1=sec⁡x2{\color{Purple} \tan x^2+1=\sec x^2}
(e). 1−cot⁡x2=csc⁡x2{\color{Purple} 1-\cot x^2=\csc x^2}


第一类换元法(凑微分法)

积分式较为复杂,不能直接套用基本积分公式,整体结构为∫u′f(u)dx\int u'f(u)dx;
我们需要将u′f(u)dxu'f(u)dx变为dudu的形式,将积分式转化为可以使用的基本积分公式∫f(u)du\int f(u)du,利用基本积分公式解决问题,即凑微分法。
例题1:求∫cos⁡2xsin⁡xdx\int \cos^2x\sin xdx
解:原式=−∫cos⁡2x⋅(−sin⁡x)dx=-\int \cos^2x \cdot (-\sin x)dx
=−∫cos⁡2xdsin⁡x=-\int \cos^2xd\sin x
=−13cos⁡3x+C=-\frac{1}{3}\cos^3x+C
例题2:求∫2cos⁡2xdx\int 2\cos 2xdx
解:原式=∫cos⁡2x⋅2dx=\int \cos 2x \cdot 2dx
=∫cos⁡2xd2x=\int \cos 2xd 2x
=sin⁡2x+C=\sin 2x+C
例题3:求∫2xex2dx\int 2xe^{x^2}dx
解:原式=∫ex2⋅2xdx=\int e^{x^2}\cdot 2xdx
=ex2dx2=e^{x^2}dx^2
=ex2+C=e^{x^2}+C
例题4:求∫12x+3dx\int \frac{1}{2x+3}dx
解:原式=12∫12x+32dx=\frac{1}{2}\int \frac{1}{2x+3}2dx
=12∫12x+32dxd(2x+3)=\frac{1}{2}\int \frac{1}{2x+3}2dxd(2x+3)
=12ln⁡∣2x+3∣+C=\frac{1}{2}\ln |2x+3|+C


总结公式:∫1ax+bdx=1aln∣ax+b∣+C(a≠0){\color{Red} \int \frac{1}{ax+b}dx=\frac{1}{a}ln|ax+b|+C (a \ne 0) }


例题5:求∫14+x2dx\int \frac{1}{4+x^2}dx
解析:公式∫11+x2dx=arctan⁡x+C⟹∫11+□2d□=arctan⁡□+C\int \frac{1}{1+x^2}dx=\arctan x+C\Longrightarrow \int \frac{1}{1+\Box ^2} d\Box =\arctan \Box +C
解:原式=14⋅11+(x2)2dx=\frac{1}{4}\cdot \frac{1}{1+(\frac{x}{2})^2}dx
=12∫11+(x2)2⋅12dx=\frac{1}{2} \int \frac{1}{1+(\frac{x}{2})^2}\cdot \frac{1}{2}dx
=12∫11+x2dx2=\frac{1}{2} \int \frac{1}{1+x^2}d\frac{x}{2}
=12arctan⁡x+C=\frac{1}{2} \arctan x+C


总结公式:∫1a2+x2dx=1aarctan⁡xa+C(a≠0){\color{Red} \int \frac{1}{a^2+x^2}dx=\frac{1}{a}\arctan \frac{x}{a}+C (a \ne 0) }


例题6:求∫1x2−1dx\int \frac{1}{x^2-1}dx
解析:同上章例题9;
解:原式=12∫(1(x−1)−1x+1)dx=\frac{1}{2}\int (\frac{1}{(x-1)}-\frac{1}{x+1})dx
=∫(12(x−1)−12(x+1))dx=\int (\frac{1}{2(x-1)}-\frac{1}{2(x+1)} )dx
=12∫1x−1−12dx∫1x+1dx=\frac{1}{2}\int \frac{1}{x-1}-\frac{1}{2}dx \int \frac{1}{x+1}dx
=12∫1x−1d(x−1)−12∫1x+1d(x+1)=\frac{1}{2}\int \frac{1}{x-1}d(x-1)-\frac{1}{2}\int \frac{1}{x+1}d(x+1)
=12ln⁡∣x−1∣−12ln⁡∣x+1∣+C=\frac{1}{2}\ln |x-1|-\frac{1}{2}\ln |x+1|+C
=12ln⁡∣x−1x+1∣+C=\frac{1}{2}\ln |\frac{x-1}{x+1} |+C


总结公式:∫1x2−a2dx=12aln⁡∣x−ax+a∣+C(a≠0){\color{Red} \int \frac{1}{x^2-a^2}dx=\frac{1}{2a}\ln |\frac{x-a}{x+a}|+C (a \ne 0) }


例题7:求∫14−x2dx\int \frac{1}{\sqrt{4-x^2} }dx
解析:公式∫1(1−x2)dx=arcsin⁡x+C⟹∫11−□2d□=arcsin⁡□+C\int \frac{1}{\sqrt(1-x^2)}dx=\arcsin x+C\Longrightarrow \int \frac{1}{1-\Box ^2} d\Box =\arcsin \Box +C
解:原式=∫14−x2dx=\int \frac{1}{\sqrt{4-x^2} }dx
=∫11−x24⋅4dx=\int \frac{1}{\sqrt{1-\frac{x^2}{4}\cdot 4} } dx
=∫12⋅1−(x2)2dx=\int \frac{1}{2\cdot \sqrt{1-(\frac{x}{2})^2} }dx
=∫11−(x2)2⋅12dx=\int \frac{1}{\sqrt{1-(\frac{x}{2})^2} }\cdot \frac{1}{2}dx
=∫11−(x2)2d(x2)=\int \frac{1}{\sqrt{1-(\frac{x}{2})^2} }d(\frac{x}{2})
=arcsin⁡x2+C=\arcsin \frac{x}{2}+C


总结公式:∫1a2−x2dx=arcsin⁡xa∣+C(a>0){\color{Red} \int \frac{1}{\sqrt{a^2-x^2} }dx=\arcsin \frac{x}{a}|+C (a > 0) }


例题8:求∫exxdx\int \frac{e^{\sqrt{x} } }{\sqrt{x} }dx
解:原式=∫ex⋅1x⋅12⋅2dx=\int e^{\sqrt{x} } \cdot \frac{1}{\sqrt{x} }\cdot \frac{1}{2} \cdot 2dx
=2∫e2xdx=2\int e^{2\sqrt{x} }dx
=2∫exdx=2\int e^{\sqrt{x} }d\sqrt{x}
=2ex+C=2e^{\sqrt{x} }+C
例题9:求∫tan⁡xdx\int \tan xdx
解:原式=∫sin⁡xcos⁡xdx=\int \frac{\sin x}{\cos x}dx
=−∫1cos⁡xdcos⁡x=-\int \frac{1}{\cos x}d\cos x
=−ln⁡∣cos⁡x∣+C=-\ln |\cos x|+C


总结公式:∫tan⁡xdx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C{\color{Red} \int \tan xdx=-\ln | \cos x|+C }


例题10:求∫sec⁡xdx\int \sec xdx
解析:∫1cos⁡2xdx=∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C\int \frac{1}{\cos^2x}dx=\int \sec^2xdx=\tan x+C
∫sec⁡xtan⁡xdx=sec⁡x+C\int \sec x\tan xdx=\sec x+C
解:原式=∫sec⁡x⋅(sec⁡x+tan⁡x)sec⁡x+tan⁡xdx=\int \frac{\sec x \cdot (\sec x+\tan x)}{\sec x+\tan x}dx
=∫sec⁡2x+sec⁡x⋅tan⁡x)sec⁡x+tan⁡xdx=\int \frac{\sec^2x+\sec x\cdot \tan x)}{\sec x+\tan x}dx
=∫1sec⁡x+tan⁡xd(sec⁡x+tan⁡x)=\int \frac{1}{\sec x+\tan x}d(\sec x+\tan x)
=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C=\ln |\sec x+\tan x|+C


总结公式:∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C{\color{Red} \int \sec xdx=\ln |\sec x+\tan x|+C }


例题11:求∫sin⁡3xdx\int \sin^3xdx
解:原式=∫sin⁡x⋅sin⁡2xdx=\int \sin x\cdot \sin^2xdx
=∫(1−cos⁡2x)⋅(−sin⁡x)dx=\int (1-\cos^2x)\cdot (-\sin x)dx
=∫(cos⁡2x−1)d(cos⁡x)=\int (\cos^2x-1)d(\cos x)
=∫cos⁡2xd(cos⁡x)−∫1d(cos⁡x)=\int \cos^2xd(\cos x)-\int 1d(\cos x)
=13cos⁡3x−cos⁡x+C=\frac{1}{3}\cos^3x-\cos x+C
例题12:求∫x2(x+1)3dx\int \frac{x^2}{(x+1)^3}dx
解:令x+1=t,x=t−1,dx=d(t−1)=dtx+1=t,x=t-1,dx=d(t-1)=dt
原式=∫(t−1)2t3dt=\int \frac{(t-1)^2}{t^3}dt
=∫t2−2t+1t3dt=\int \frac{t^2-2t+1}{t^3}dt
=∫(1t−2t2+1t3)dt=\int (\frac{1}{t}-\frac{2}{t^2}+\frac{1}{t^3} )dt
=ln⁡∣t∣+2t−12t2+C=\ln |t|+\frac{2}{t}-\frac{1}{2t^2}+C
=ln⁡∣x+1∣+2x+1−12(x+1)2+C=\ln |x+1|+\frac{2}{x+1}-\frac{1}{2(x+1)^2}+C
例题13:求∫(x+2)3(x+3)dx\int \frac{(x+2)^3}{(x+3)}dx
解:令x+3=t,x=t−3,dx=d(t−3)=dtx+3=t,x=t-3,dx=d(t-3)=dt
原式=∫(t−1)3tdt= \int \frac{(t-1)^3}{t}dt
=∫(t3−3t2+3t−1t2)dt=\int (\frac{t^3-3t^2+3t-1}{t^2} )dt
=∫(t−3+3t−1t2)dt=\int (t-3+\frac{3}{t}-\frac{1}{t^2} )dt
=t22−3t+3ln⁡∣t∣+1t+C=\frac{t^2}{2}-3t+3\ln |t|+\frac{1}{t}+C
=12(x+3)2−3(x+3)+3ln⁡∣x+3∣+1x+3+C=\frac{1}{2}(x+3)^2-3(x+3)+3\ln |x+3|+\frac{1}{x+3}+C


第二类换元法(根式代换法)

例题1:求∫11+2x+3dx\int \frac{1}{1+\sqrt{2x+3} }dx
解:令2x+3=t2,x=t2−32,dx=tdt2x+3=t^2,x=\frac{t^2-3}{2},dx=tdt
原式=∫11+ttdt= \int \frac{1}{1+t}tdt
=∫t+1−11+tdt=\int \frac{t+1-1}{1+t}dt
=(1−11+t)=(1-\frac{1}{1+t})
=t−ln⁡∣1+t∣+C=t-\ln|1+t|+C
=2x+3−ln⁡∣2x+3+1∣+C=\sqrt{2x+3}-\ln |\sqrt{2x+3}+1|+C
“1型”根式代换:式子中含有ax+bn\sqrt[n]{ax+b}
例题2:求∫2x+x3dx\int \frac{2}{x+\sqrt[3]{x} }dx
解:令x=t3,x13=t,dx=3t2dtx=t^3,x^{\frac{1}{3} }=t,dx=3t^2dt
原式=∫2t3+t3t2dt=\int \frac{2}{t^3+t}3t^2dt
=∫6tt2+1dt=\int \frac{6t}{t^2+1}dt
=3∫1t2+1d(t2+1)=3\int \frac{1}{t^2+1}d(t^2+1)
=3ln⁡∣t2+1∣+C=3\ln |t^2+1|+C
=3ln⁡x23+1+C=3\ln x^{\frac{2}{3} +1}+C
例题3:求∫x3x+13dx\int x\sqrt[3]{3x+1}dx
解:令3x+13=t,x=13t3−13,dx=d(13t3−13)=t2dt\sqrt[3]{3x+1}=t,x=\frac{1}{3}t^3-\frac{1}{3},dx=d(\frac{1}{3t^3-\frac{1}{3} })=t^2dt
原式=∫(13t3−13)t⋅t2dt=\int (\frac{1}{3}t^3-\frac{1}{3} )t\cdot t^2dt
=∫(13t6−13t3)dt=\int (\frac{1}{3}t^6-\frac{1}{3}t^3)dt
=121t7−112t4+C=\frac{1}{21}t^7-\frac{1}{12}t^4+C
=121(3x+1)73−112(3x+1)43+C=\frac{1}{21}(3x+1)^{\frac{7}{3} }-\frac{1}{12}(3x+1)^{\frac{4}{3} }+C
“2型”根式代换:式子中同时含有xm\sqrt[m]{x} 和xn\sqrt[n]{x}
令t=xm,n,[m,n]t=\sqrt[m,n]{x},[m,n]代表mm和nn的最小公倍数。
例题4:求∫1x+x4dx\int \frac{1}{\sqrt{x}+\sqrt[4]{x} }dx
解:令x4=t,x=t4,dx=dt4=4t3dt\sqrt[4]{x}=t,x=t^4,dx=dt^4=4t^3dt
原式=∫1t2+t4t3dt=\int \frac{1}{t^2+t}4t^3dt
=4t2t+1dt=4\frac{t^2}{t+1}dt
令t+1=u,t=u−1,dt=d(u−1)=dut+1=u,t=u-1,dt=d(u-1)=du
原式4∫(u−1)2udu4\int \frac{(u-1)^2}{u}du
=4∫u2−2u+1udu=4\int \frac{u^2-2u+1}{u}du
=4∫(u−2+1u)dx=4\int (u-2+\frac{1}{u})dx
=2(u)−8u+4ln⁡∣u∣+C=2(u)-8u+4\ln |u|+C
=2(x4+1)2−8(x3+1)+4ln⁡(x4+1)+C=2(\sqrt[4]{x}+1)^2-8(\sqrt[3]{x}+1)+4\ln (\sqrt[4]{x}+1)+C
例题5:求∫x33x+x3dx\int x\frac{\sqrt[3]{3} }{\sqrt{x}+\sqrt[3]{x} }dx
解:令x6=t,x=t6,dx=dt6=6t5dt\sqrt[6]{x}=t,x=t^6,dx=dt^6=6t^5dt
原式=∫t2t6⋅(t3−t2)⋅6t5dt=\int \frac{t^2}{t^6 \cdot (t^3-t^2) }\cdot 6t^5 dt
6∫1t2+tdt6\int\frac{1}{t^2+t}dt
=6∫1t−1(t+1)dt=6\int \frac{1}{t}-\frac{1}{(t+1)}dt
=6ln⁡t−6ln⁡∣t+1∣+C=6\ln t-6\ln |t+1|+C
=6ln⁡∣tt+1∣+C=6\ln |\frac{t}{t+1}|+C
=6ln⁡(x6)6x6+1+C=6\ln \frac{(\sqrt[6]{x}) }{6\sqrt[6]{x}+1}+C
一般当被积函数含有:
(1). a2−x2\sqrt{a^2-x^2} ,可以代换x=asin⁡ux=a\sin u
(2). x2+a2\sqrt{x^2+a^2} ,可以代换x=atan⁡ux=a\tan u
(3). x2−a2\sqrt{x^2-a^2} ,可以代换x=asec⁡ux=a\sec u
通常称以上代换为三角代换,当被积函数含有以上二次根式,积分时是否一定使用三角代换。
例题6:计算∫x+arcsin⁡x1−x2dx\int \frac{x+\arcsin x}{\sqrt{1-x^2} }dx
解:原式=∫x1−x2dx+∫arcsin⁡x1−x2dx=\int \frac{x}{\sqrt{1-x^2} }dx+\int \frac{\arcsin x}{\sqrt{1-x^2} }dx
=∫x⋅11−x2dx+∫arcsin⁡x⋅11−x2dx=\int x \cdot \frac{1}{\sqrt{1-x^2} }dx+\int \arcsin x \cdot \frac{1}{\sqrt{1-x^2} }dx
=12∫11−x2dx2+∫arcsin⁡xd(arcsin⁡x)=\frac{1}{2} \int \frac{1}{\sqrt{1-x^2} }dx^2+\int \arcsin x d (\arcsin x )
=12∫11−x2d(1−x2)+12arcsin⁡x=\frac{1}{2} \int \frac{1}{\sqrt{1-x^2} }d(1-x^2)+\frac{1}{2}\arcsin x
=12−12⋅1−x2+12arcsin⁡2x+C=\frac{1}{2} -\frac{1}{2}\cdot \sqrt{1-x^2}+\frac{1}{2} \arcsin^2x+C
=12−1−x2+12arcsin⁡2x+C=\frac{1}{2} -\sqrt{1-x^2}+\frac{1}{2}\arcsin^2x+C
第二类换元法常见类型:
(1). ∫f(x,ax+bn)dx\int f(x,\sqrt[n]{ax+b})dx,令t=ax+bnt=\sqrt[n]{ax+b}
(2). ∫f(x,ax+bcx+dn)dx\int f(x,\sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d} })dx,令t=ax+bcx+dnt=\sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d} }
(3). ∫f(x,a2−x2)dx\int f(x,\sqrt{a^2-x^2})dx,令x=asin⁡/x=acos⁡tx=a\sin / x=a\cos t
(4). ∫f(x,a2+x2)dx\int f(x,\sqrt{a^2+x^2})dx,令x=atan⁡tx=a\tan t
(5). ∫f(x,x2−a2)dx\int f(x,\sqrt{x^2-a^2})dx,令x=asec⁡tx=a\sec t
(6). ∫f(ax)dx\int f(a^x)dx,令t=axt=a^x
分母中因子次数较高时,可以使用倒代换。
常用基本积分公式:
∫tan⁡xdx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C\int \tan xdx=-\ln|\cos x|+C
∫cot⁡xdx=ln⁡∣sin⁡x∣+C\int \cot xdx=\ln |\sin x |+C
∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec xdx=\ln |\sec x+\tan x |+C
∫csc⁡xdx=ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣+C\int \csc xdx=\ln |\csc x-\cot x |+C
∫1a2+x2dx=1aarctan⁡xa+C\int \frac{1}{a^2+x^2 }dx=\frac{1}{a} \arctan \frac{x}{a}+C


分部积分法

公式:∫uv′dx=∫udv=uv−∫u′vdx=uv−∫vdu\int uv' dx=\int udv=uv-\int u'v dx=uv-\int vdu
反对幂指三
例题1:求∫xarctan⁡xdx\int x\arctan xdx
解:原式=∫arctan⁡x⋅xd(12x2)=\int \arctan x \cdot xd(\frac{1}{2}x^2)
12∫arctan⁡xdx2\frac{1}{2}\int \arctan xdx^2
=12(x2arctan⁡x−∫x2d(arctan⁡x))=\frac{1}{2}(x^2\arctan x-\int x^2d(\arctan x))
=12(x2arctan⁡x−∫x2⋅11+x2dx)=\frac{1}{2}(x^2\arctan x-\int x^2\cdot \frac{1}{1+x^2}dx)
=12(x2arctan⁡x−∫x2+1−11+x2dx)=\frac{1}{2}(x^2\arctan x-\int \frac{x^2+1-1}{1+x^2}dx)
=12(x2arctan⁡x−∫1−11+x2dx)=\frac{1}{2}(x^2\arctan x-\int 1-\frac{1}{1+x^2}dx)
=12(x2arctan⁡x−x+arctan⁡x)+C=\frac{1}{2}(x^2\arctan x-x+\arctan x)+C
例题2:求∫arctan⁡xdx\int \arctan xdx
解:原式=xarctan⁡x−∫xd(arctan⁡x)=x\arctan x-\int xd(\arctan x)
=xarctan⁡x−∫x⋅11+x2dx=x\arctan x-\int x\cdot \frac{1}{1+x^2}dx
=xarctan⁡x−12∫11+x2dx2=x\arctan x-\frac{1}{2}\int \frac{1}{1+x^2}dx^2
=xarctan⁡x−12ln⁡(1+x2)=x\arctan x-\frac{1}{2}\ln (1+x^2)
总结:{\color{Red} \int udv=uv-\int vdu}
例题3:求∫x3ln⁡xdx\int x^3\ln xdx
解:原式=∫ln⁡x⋅xd(14x4)=\int \ln x \cdot xd(\frac{1}{4}x^4)
=14∫ln⁡xdx4=\frac{1}{4}\int \ln xdx^4
=14(x4ln⁡x−∫x4d(ln⁡x))=\frac{1}{4}(x^4\ln x-\int x^4d(\ln x))
=14(x4ln⁡x−∫x4⋅1xdx)=\frac{1}{4}(x^4\ln x-\int x^4\cdot \frac{1}{x}dx)
=14(x4ln⁡x−∫x3dx)=\frac{1}{4}(x^4\ln x-\int x^3dx)
=14x4ln⁡x−116x4+C=\frac{1}{4}x^4\ln x-\frac{1}{16}x^4+C
例题4:求∫exsin⁡xdx\int e^x\sin xdx
解:原式=∫exd(−cos⁡x)=\int e^xd(-\cos x)
=−∫exd(cos⁡x)=-\int e^xd(\cos x)
=−(ex⋅cos⁡x−∫cos⁡xd(ex))=-(e^x \cdot \cos x-\int \cos xd(e^x))
=−(cos⁡x⋅ex−∫cos⁡x⋅exdx)=-(\cos x \cdot e^x-\int \cos x\cdot e^x dx)
=−cos⁡x⋅ex+∫exdsin⁡x=-\cos x \cdot e^x+\int e^x d\sin x
=−cos⁡x⋅ex+sin⁡x⋅ex−∫sin⁡xdex=-\cos x \cdot e^x+\sin x \cdot e^x-\int \sin xde^x
=−cos⁡x⋅ex+sin⁡x⋅ex−∫ex⋅sin⁡xdx=-\cos x \cdot e^x+\sin x \cdot e^x-\int e^x\cdot \sin xdx
∫exsin⁡xdx=−cos⁡x⋅ex+sin⁡x⋅ex−∫ex⋅sin⁡xdx\int e^x\sin xdx=-\cos x \cdot e^x+\sin x \cdot e^x-\int e^x\cdot \sin xdx
2∫exsin⁡xdx=−cos⁡x⋅ex−sin⁡x⋅ex2\int e^x\sin xdx=-\cos x \cdot e^x-\sin x \cdot e^x
∫exsin⁡xdx=−cos⁡x⋅ex+ex⋅sin⁡x2+C\int e^x\sin xdx =\frac{-\cos x \cdot e^x+e^x \cdot \sin x }{2}+C


定积分

定积分的概念

  1. 概念
    指用来求曲边图形面积的工具,记为∫abf(x)dx\int_a^b f(x)dx,其中a,ba,b为积分上下限,f(x)f(x)为被积函数。
  2. 定积分的几何意义∫abf(x)dx\int_a^b f(x)dx表示曲线y=f(x)y=f(x)与xx轴以及直线x=a,x=bx=a,x=b所围成的各部分的面积的代数和。 f(x)>0,∫abf(x)dx>0f(x)>0,\int_a^b f(x)dx>0 f(x)<0,∫abf(x)dx<0f(x)<0,\int_a^b f(x)dx < 0
  3. 定积分比较大小 f(x)≥g(x)f(x)\geq g(x),则∫abf(x)dx≥∫abg(x)dx\int_a^b f(x)dx\geq \int_a^b g(x)dx 例题1:比较∫0π2xdx\int_0^{\frac{\pi}{2} } xdx与∫0π2sin⁡xdx\int_0^{\frac{\pi}{2} } \sin xdx的大小.
    解:f(x)=x,g(x)=sin⁡xf(x)=x,g(x)=\sin x f(x)≥g(x)f(x)\geq g(x) ∫0π2xdx>∫0π2sin⁡xdx\int_0^{\frac{\pi}{2} } xdx > \int_0^{\frac{\pi}{2} } \sin xdx

例题2:比较∫01exdx\int_0^1 e^xdx与∫01ex2dx\int_0^1 e^{x^2} dx的大小.
解:从x∈(0,1)x \in (0,1)比较x,x2x,x^2,取一特殊值比较大小。
即∫01exdx>∫01ex2dx\int_0^1 e^xdx > \int_0^1 e^{x^2} dx

  1. 定积分的性质
    (1). ∫abf(x)±g(x)dx=∫abf(x)dx+∫abg(x)dx\int_a^b f(x)\pm g(x)dx=\int_a^b f(x)dx+\int_a^b g(x)dx
    (2). ∫abk⋅f(x)dx=k∫abf(x)dx(k与x无关)\int_a^b k\cdot f(x)dx=k\int_a^b f(x)dx(k与x无关)
    (3). ∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx\int_a^b f(x)dx=\int_a^c f(x)dx+\int_c^b f(x)dx
    (4). ∫abf(x)dx=−∫ba\int_a^b f(x)dx=-\int_b^a (上下限调换,添负号)
    (5). ∫ab1dx+∫abdx=b−a\int_a^b 1dx+\int_a^b dx=b-a
    例题3:设f(x)f(x)在[a,b][a,b]上连续,下列不正确的是()
    A. ∫0xf(t)dt\int_0^x f(t)dt是f(x)f(x)的一个原函数
    B. ∫xbf(t)dt\int_x^b f(t)dt是−f(x)-f(x)的一个原函数
    C. ∫abf(t)dt\int_a^b f(t)dt是f(x)f(x)的一个原函数
    D. f(x)f(x)在[a,b][a,b]上可积
    解析:f(x)f(x)在[a,b][a,b]上连续,∫0xf(t)dt\int_0^x f(t)dt是(∫0xf(t)dt)′=f(x)(\int_0^x f(t)dt)'=f(x)的一个原函数,∫xbf(t)dt\int_x^b f(t)dt是(∫xbf(t)dt)′=0−f(x)(\int_x^b f(t)dt)'=0-f(x)的一个原函数,∫abf(t)dt\int_a^b f(t)dt不是f(x)f(x)的一个原函数定积分是一个数字,所以f(x)=0定积分是一个数字,所以f(x)=0,f(x)f(x)在[a,b][a,b]上可积,故选C.

定积分的计算

定积分两个公式

牛顿-莱布尼茨公式:∫abf(x)dx=F(x)∣ba=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)dx=F(x)|\begin{matrix}b\\a\end{matrix}=F(b)-F(a)
分部积分公式:∫abuv′dx=∫abudv=uv∣ba−∫abvu′dx\int_a^b uv' dx=\int_a^b udv=uv|\begin{matrix}b\\a\end{matrix}-\int_a^b vu' dx
例题1:求∫01(x2+x+2)dx\int_0^1 (x^2+x+2)dx
解:原式=(13x3+12x2+2x)∣10=(\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{2}x^2+2x)|\begin{matrix}1\\0\end{matrix}
=13+12+2−0=176=\frac{1}{3}+\frac{1}{2}+2-0=\frac{17}{6}
例题2:求∫0π2cos⁡2xcos⁡x−sin⁡xdx\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos 2x}{\cos x-\sin x}dx
解:原式=∫0π2(cos⁡x−sin⁡x)⋅(sin⁡x+cos⁡x)cos⁡x−sin⁡xdx=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{(\cos x-\sin x)\cdot (\sin x+\cos x )}{\cos x-\sin x}dx
=∫0π2sin⁡x+cos⁡xdx=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin x+\cos x dx
=(−cos⁡x+sin⁡x)∣π20=(-\cos x+\sin x)|\begin{matrix}\frac{\pi}{2}\\0\end{matrix}
=(0+1)−(−1+0)=(0+1)-(-1+0)
=2=2
例题3:求∫12e1x⋅1x2dx\int_1^2 e^{\frac{1}{x} }\cdot \frac{1}{x^2}dx
解:原式=∫12e1x⋅(−1x)′dx=\int_1^2 e^{\frac{1}{x} }\cdot (-\frac{1}{x})'dx
=−∫12e1xd(1x)=-\int_1^2 e^{\frac{1}{x} }d(\frac{1}{x})
=−e1x∣21=-e^{\frac{1}{x} }|\begin{matrix}2\\1\end{matrix}
=−e12+e=-e^{\frac{1}{2} }+e
例题4:求∫01x⋅e−xdx\int_0^1 x\cdot e^{-x}dx
解:原式=∫01xd(−e−x)=\int_0^1 x d(-e^{-x})
=−(x⋅e−x∣10−∫01e−xdx)=-(x\cdot e^{-x}|\begin{matrix}1\\0\end{matrix}-\int_0^1e^{-x}dx)
=−(xe−x∣10+e−x∣10)=-(xe^{-x}|\begin{matrix}1\\0\end{matrix}+e^{-x}|\begin{matrix}1\\0\end{matrix})
=−(e−1+e−1−1=-(e^{-1}+e^{-1}-1
=−2e−1+1=1−2e=-2e^{-1}+1=1-\frac{2}{e}


定积分四个运算技巧
  1. 定积分偶倍奇零(条件:区间对称) ∫−aaf(x)dx={2∫0af(x)dx,f(x)为偶函数0,f(x)为奇函数\int_{-a}^{a} f(x)dx=\left\{\begin{matrix}2\int_{0}^{a} f(x)dx,f(x)为偶函数\\0,f(x)为奇函数\end{matrix}\right. {常见偶函数:C,x偶数,∣x∣,cos⁡x,f(x)+f(−x)常见奇函数:x奇数,sin⁡x,arctan⁡x,f(x)−f(−x)\left\{\begin{matrix}常见偶函数:C,x^{偶数},|x|,\cos x,f(x)+f(-x) \\常见奇函数:x^{奇数},\sin x,\arctan x,f(x)-f(-x)\end{matrix}\right. 使用技巧:加减运算,分开独立判断奇偶性;
    例题1:求∫−11(x3cos⁡x+1)dx=(D)\int_{-1}^{1} (x^3\cos x+1)dx=(D) A.0B.12C.1D.2A. 0 B. \frac{1}{2} C. 1 D. 2 解析:x3cos⁡xx^3\cos x为奇函数,1为偶函数,故原式为2∫011dx=22\int_0^1 1dx=2
    例题2:设f(x)f(x)在[−l,l][-l,l]上连续,则∫−llf(x)−f(−x)dx=(0)\int_{-l}^{l} f(x)-f(-x)dx=(0)
    解析:f(x)−f(−x)f(x)-f(-x)为奇函数,故原式为00
    例题3:∫−112+sin⁡x1+x2dx\int_{-1}^{1} \frac{2+\sin x}{1+x^2}dx
    解:原式=∫−1121+x2dx+∫−11sin⁡x1+x2=\int_{-1}^{1} \frac{2}{1+x^2}dx+\int_{-1}^{1}\frac{\sin x}{1+x^2}
    函数21+x2\frac{2}{1+x^2}为偶函数,sin⁡x1+x2\frac{\sin x}{1+x^2}为奇函数
    故原式为2⋅2∫0111+x2dx+0=4arctan⁡x∣10=4(arctan⁡1−arctan⁡0)=π2\cdot 2\int_0^1 \frac{1}{1+x^2}dx+0=4\arctan x|\begin{matrix}1\\0\end{matrix}=4(\arctan 1-\arctan 0)=\pi
    例题4:求定积分∫−ππ(1+cos⁡x+∣x∣⋅x)dx\int_{-\pi}^{\pi} (\sqrt{1+\cos x}+|x|\cdot x)dx 1+cos⁡x\sqrt{1+\cos x}为偶函数,∣x∣⋅x|x|\cdot x为奇函数 解:原式=2∫0π1+cos⁡xdx=2\int_{0}^{\pi} \sqrt{1+\cos x}dx =2∫0π2⋅cos⁡x2dx=2\int_{0}^{\pi} \sqrt{2}\cdot \cos \frac{x}{2}dx =2⋅22∫0πcos⁡x2d(x2)=2\cdot 2\sqrt{2} \int_{0}^{\pi} \cos \frac{x}{2}d(\frac{x}{2}) =42∫0πcos⁡x2d(x2)=4\sqrt{2}\int_{0}^{\pi} \cos \frac{x}{2} d(\frac{x}{2}) =42sin⁡x2∣π0=4\sqrt{2} \sin \frac{x}{2}|\begin{matrix}\pi\\0\end{matrix} =42⋅(sin⁡π2−sin⁡0)=4\sqrt{2}\cdot(\sin \frac{\pi}{2}-\sin 0) =42=4\sqrt{2}
  2. 定积分点火公式(华里氏公式)
    条件:积分区间为(0,π2)(0,\frac{\pi}{2})
    公式:∫0π2sin⁡nxdx=∫0π2cos⁡nxdx={n−1n⋅n−3n−2…12⋅π2,n为偶数n−1n⋅n−3n−2…23⋅1,n为奇数\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\sin ^nxdx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\cos ^nxdx=\left\{\begin{matrix}\frac{n-1}{n}\cdot \frac{n-3}{n-2}\dots \frac{1}{2}\cdot \frac{\pi }{2} ,n为偶数 \\\frac{n-1}{n}\cdot \frac{n-3}{n-2}\dots \frac{2}{3}\cdot 1 ,n为奇数 \end{matrix}\right.
    注意:∫0πsin⁡nxdx=2∫0π2sin⁡nxdx{\color{Red} \int_{0}^{\pi }\sin ^n xdx=2\int_{0}^{\frac{\pi }{2} } \sin ^n xdx }
    例题5: 求∫0π2cos⁡6xdx\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\cos ^6xdx
    解:原式=56⋅34⋅12⋅π2=5π64=\frac{5}{6}\cdot \frac{3}{4}\cdot \frac{1}{2}\cdot \frac{\pi }{2}=\frac{5\pi }{64}
    例题6:求∫0π2sin⁡5xdx\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\sin ^5xdx
    解:原式=45⋅23⋅12⋅1=415=\frac{4}{5}\cdot \frac{2}{3}\cdot \frac{1}{2}\cdot 1=\frac{4}{15}
    例题6:求∫−π2π2(sin⁡4θ+cos⁡3θ)dθ\int_{-\frac{\pi}{2} }^{\frac{\pi }{2} }(\sin ^4\theta +\cos ^3\theta )d\theta
    解:原式=2∫0π2(sin⁡4θ+cos⁡3θ)dθ=2\int_0^{\frac{\pi}{2} }(\sin ^4\theta +\cos ^3\theta )d\theta =2(34⋅12⋅π2+23⋅1)=2(\frac{3}{4}\cdot \frac{1}{2}\cdot \frac{\pi}{2} +\frac{2}{3}\cdot 1) =3π8+43=\frac{3\pi}{8}+\frac{4}{3}
  3. 定积分求1/4圆面积
    公式:∫0aa2−x2dx=14πa2\int_{0}^{a} \sqrt{a^2-x^2}dx=\frac{1}{4}\pi a^2
    例题7:∫024−x2dx=∫0222−x2dx=14π⋅4=π\int_{0}^{2} \sqrt{4-x^2}dx=\int_{0}^{2}\sqrt{2^2-x^2}dx=\frac{1}{4}\pi \cdot 4=\pi
    例题8:求∫−aa(b+x)a2−x2dx\int_{-a}^{a} (b+x)\sqrt{a^2-x^2}dx
    解:原式=∫−aaba2−x2+xa2−x2dx=\int_{-a}^{a} b\sqrt{a^2-x^2}+x\sqrt{a^2-x^2}dx =∫−aaba2−x2dx=\int_{-a}^{a} b\sqrt{a^2-x^2}dx =2b∫0aa2−x2dx=2b\int_{0}^{a}\sqrt{a^2-x^2}dx =2b⋅14πa2=12πa2=2b\cdot \frac{1}{4}\pi a^2=\frac{1}{2}\pi a^2 例题9:设f(x)=3x−1−x2−∫01f(x)dx,求f(x)f(x)=3x-\sqrt{1-x^2}-\int_{0}^{1} f(x)dx,求f(x)
    解:令∫01f(x)dx=A\int_{0}^{1} f(x)dx=A则f(x)=3x−1−x2−Af(x)=3x-\sqrt{1-x^2}-A ∫01f(x)dx=∫013xdx∫011−x2dx−∫01Adx\int_{0}^{1}f(x)dx=\int_{0}^{1} 3xdx\int_{0}^{1} \sqrt{1-x^2}dx-\int_{0}^{1}Adx A=312∣10−π4−Ax∣10A=3\frac{1}{2}|\begin{matrix}1\\0\end{matrix} -\frac{\pi}{4} -Ax|\begin{matrix}1\\0\end{matrix} A=3⋅12−14π−AA=3\cdot \frac{1}{2}-\frac{1}{4}\pi -A 2A=32−14π2A=\frac{3}{2}-\frac{1}{4}\pi A=34−18πA=\frac{3}{4}-\frac{1}{8}\pi 故f(x)=3x−1−x2−34+18πf(x)=3x-\sqrt{1-x^2}-\frac{3}{4}+\frac{1}{8}\pi
  4. 定积分换元法 换元类型{1).无理根式代换2).三角代换换元类型\left\{\begin{matrix}1).无理根式代换\\2).三角代换\end{matrix}\right. 注:定积分换元换限
    例题10:求∫141x(1+x)dx\int_{1}^{4} \frac{1}{x(1+\sqrt{x}) }dx
    解:令x=t,x=t2,dx=2tdt\sqrt{x}=t,x=t^2,dx=2tdt
    上限换元:x=4,t=2x=4,t=2,下限换元:x=1,t=1x=1,t=1
    故:原式=∫121t2(1+t)2tdt=\int_{1}^{2} \frac{1}{t^2(1+t)}2tdt =2∫121t(1+t)dt=2\int_{1}^{2} \frac{1}{t(1+t)}dt =2∫121t−11+tdt=2\int_{1}^{2} \frac{1}{t}-\frac{1}{1+t}dt =2(ln⁡t−ln⁡∣1+t∣)∣21=2(\ln t-\ln |1+t|)|\begin{matrix}2\\1\end{matrix} =2ln⁡23−2ln⁡12=2\ln \frac{2}{3}-2\ln \frac{1}{2} =2ln⁡43=2\ln \frac{4}{3} 例题11:求∫01x2⋅1−x2dx\int_{0}^{1} x^2 \cdot \sqrt{1-x^2}dx
    解:令x=sin⁡t,dx=cos⁡tdtx=\sin t,dx=\cos tdt
    上限换元:x=1,t=π2x=1,t=\frac{\pi}{2},下限换元:x=0,t=0x=0,t=0
    原式=∫0π2sin⁡2t⋅1−sin2t⋅cos⁡tdt=\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } \sin ^2t\cdot \sqrt{1-sin^2t} \cdot \cos tdt =∫0π2sin⁡2t⋅cos⁡2tdt=\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } \sin ^2t\cdot \cos ^2tdt =∫0π2(1−cos⁡2t)⋅cos⁡2tdt=\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } (1-\cos ^2t)\cdot \cos ^2tdt =∫0π2cos⁡2t−cos⁡4tdt=\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } \cos ^2t-\cos ^4tdt =12⋅π2−34⋅12⋅π2=\frac{1}{2}\cdot \frac{\pi}{2}-\frac{3}{4}\cdot \frac{1}{2}\cdot \frac{\pi}{2} =π16=\frac{\pi}{16}

分段函数定积分
∫abf(x)dx=∫ax0f(x)dx+∫bx0f(x)dx\int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{x_0}f(x)dx+\int_{b}^{x_0}f(x)dx

注:遇到分段函数定积分,从分段点分开单独求左侧和右侧的积分,再相加。
例题1:f(x)={ex,x≤1ln⁡x,x>1求∫0ef(x)dxf(x)=\left\{\begin{matrix}e^x,x\le 1\\\ln x,x>1\end{matrix}\right.求\int_{0}^{e}f(x)dx
解:∫0ef(x)dx\int_{0}^{e}f(x)dx
=∫01exdx+∫1eln⁡xdx=\int_{0}^{1}e^xdx+\int_{1}^{e}\ln xdx
=ex∣10+(x⋅ln⁡x)∣e1−∫1ex⋅1xdx=e^x|\begin{matrix}1\\0\end{matrix}+(x \cdot \ln x)|\begin{matrix}e\\1\end{matrix}-\int_{1}^{e}x \cdot \frac{1}{x}dx
=e−1+e−0−x∣e1=e-1+e-0-x|\begin{matrix}e\\1\end{matrix}
=e=e
例题2:f(x)={1+x2,x<1ex,x≥1求∫122f(1−x)dxf(x)=\left\{\begin{matrix}1+x^2,x<1\\e^x,x\ge 1\end{matrix}\right.求\int_{\frac{1}{2} }^{2}f(1-x)dx
解:换元,令1−x=t,x=1−t,dx=−dt1-x=t,x=1-t,dx=-dt
换上下限,x=12,t=12x=\frac{1}{2} ,t=\frac{1}{2} ,x=2,t=−1x=2,t=-1
原式=−∫12−1f(t)dt=-\int_{\frac{1}{2} }^{-1}f(t)dt
=∫−112f(t)dt=\int_{-1}^{\frac{1}{2} }f(t)dt
=−∫−10f(t)dt+∫012f(t)dt=-\int_{-1}^{0}f(t)dt+\int_{0}^{\frac{1}{2} }f(t)dt
=∫−10(1+t2)dt+∫012etdt=\int_{-1}^{0}(1+t^2)dt+\int_{0}^{\frac{1}{2} }e^tdt
=(t+13t3)∣0−1+et∣120=(t+\frac{1}{3}t^3)|\begin{matrix}0\\-1\end{matrix}+e^t|\begin{matrix}\frac{1}{2}\\0\end{matrix}
=0−(−1−13)+e12−e0=0-(-1-\frac{1}{3})+e^{\frac{1}{2} }-e^0
=13+e12−1=\frac{1}{3}+e^{\frac{1}{2} }-1


定积分等式证明

积分区间再现公式:∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx\int_{a}^{b} f(x)dx=\int_{a}^{b} f(a+b-x)dx
证明再现公式:换元,令a+b−x=t,x=a+b−t,dx=−dta+b-x=t,x=a+b-t,dx=-dt
换上下限,x=a,t=bx=a,t=b,x=b,t=ax=b,t=a
故∫abf(a+b−x)dx=−∫baf(t)dt=∫abf(t)dt\int_{a}^{b} f(a+b-x)dx=-\int_{b}^{a} f(t)dt=\int_{a}^{b}f(t)dt
使用条件:等式两侧积分区间一样
例题1:证明:∫01xm(1−x)ndx=∫01xn(1−x)mdx\int_{0}^{1} x^m(1-x)^ndx=\int_{0}^{1} x^n(1-x)^mdx
证明:∵∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx\because \int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{b}f(a+b-x)dx
故∫01xm(1−x)ndx=∫01(1+0−x)n[1−(1+0−x)]mdx\int_{0}^{1} x^m(1-x)^ndx=\int_{0}^{1} (1+0-x)^n[1-(1+0-x)]^mdx
得∫01xm(1−x)ndx=∫01(1−x)m⋅xndx\int_{0}^{1} x^m(1-x)^ndx=\int_{0}^{1} (1-x)^m\cdot x^ndx
故原式成立。
例题2:证明:∫0π2f(sin⁡x)dx=∫0π2f(cos⁡x)\int_{0}^{\frac{\pi }{2} } f(\sin x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }f(\cos x)
证明:∵∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx\because \int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{b}f(a+b-x)dx
故∫0π2f(sin⁡x)dx=∫0π2f[sin⁡(π2−x)]\int_{0}^{\frac{\pi }{2} } f(\sin x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }f[\sin (\frac{\pi }{2}-x)]
得∫0π2f(sin⁡x)dx=∫0π2f(cos⁡x)\int_{0}^{\frac{\pi }{2} } f(\sin x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }f(\cos x)
奇变偶不变,符号看象限公式。
例题3:证明:∫0πf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)\int_{0}^{\pi} f(\sin x)dx=\frac{\pi }{2} \int_{0}^{\pi }f(\sin x)
证明:∵∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx\because \int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{b}f(a+b-x)dx
故∫0πx⋅f(sin⁡x)dx=∫0π(π−x)⋅f[sin⁡(π−x)]dx\int_{0}^{\pi} x \cdot f(\sin x)dx=\int_{0}^{\pi} (\pi-x)\cdot f[\sin (\pi-x)]dx
=∫0π(π−x)⋅f(sin⁡x)dx=\int_{0}^{\pi} (\pi-x)\cdot f(\sin x)dx
=∫0ππ⋅f(sin⁡x)dx−∫0πx⋅f(sin⁡x)dx=\int_{0}^{\pi}\pi \cdot f(\sin x)dx-\int_{0}^{\pi}x \cdot f(\sin x)dx
⟹2∫0πx⋅f(sin⁡x)dx=π∫0πf(sin⁡x)dx\Longrightarrow 2\int_{0}^{\pi} x\cdot f(\sin x)dx=\pi \int_{0}^{\pi}f(\sin x)dx
⟹∫0πx⋅f(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)dx\Longrightarrow \int_{0}^{\pi} x\cdot f(\sin x)dx=\frac{\pi}{2} \int_{0}^{\pi}f(\sin x)dx
故原式成立。
例题4:证明:∫0π2sin⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx=∫0π2cos⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } \frac{\sin ^3x}{\sin x+\cos x}dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } \frac{\cos ^3x}{\sin x+\cos x}dx,并利用证明结果求∫0π2sin⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx\int_{0}^{\frac{\pi}{2} } \frac{\sin ^3x}{\sin x+\cos x}dx
解:∵∫0π2sin⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx\because \int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\sin ^3x}{\sin x+\cos x}dx
=∫0π2sin⁡3(π2−x)sin⁡(π2−x)+cos⁡(π2−x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\sin ^3(\frac{\pi }{2}-x)}{\sin (\frac{\pi }{2}-x)+\cos (\frac{\pi }{2}-x)}dx
=∫0π2cos⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx=\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\cos ^3x}{\sin x+\cos x}dx
故原式得证;
又∫0π2sin⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx+∫0π2cos⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\sin ^3x}{\sin x+\cos x}dx+\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\cos ^3x}{\sin x+\cos x}dx
=2∫0π2sin⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx=2\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\sin ^3x}{\sin x+\cos x}dx
∫0π2sin⁡3xsin⁡x+cos⁡x=12⋅[∫0π2sin⁡3x+cos⁡3xsin⁡x+cos⁡xdx]\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\sin ^3x}{\sin x+\cos x}=\frac{1}{2}\cdot [\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{\sin ^3x+\cos ^3x}{\sin x+\cos x}dx]
=12∫0π2(sin⁡x+cos⁡x)⋅(sin⁡2x−sin⁡xcos⁡x+cos⁡2)sin⁡x+cos⁡xdx=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\frac{(\sin x+\cos x)\cdot (\sin ^2x-\sin x\cos x+\cos ^2)}{\sin x+\cos x}dx
=12∫0π21−sin⁡xcos⁡xdx=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi }{2} } 1-\sin x \cos xdx
=12∫0π21dx−12∫0π2sin⁡xcos⁡xdx=\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi }{2} } 1dx-\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\sin x \cos xdx
=12⋅x∣π20−12∫0π2sin⁡xsin⁡x=\frac{1}{2}\cdot x|\begin{matrix}\frac{\pi }{2}\\0\end{matrix}-\frac{1}{2}\int_{0}^{\frac{\pi }{2} }\sin x\sin x
=12⋅π2−12⋅12(sin⁡x)2∣π20=\frac{1}{2}\cdot \frac{\pi }{2}-\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2}(\sin x)^2|\begin{matrix}\frac{\pi }{2}\\0\end{matrix}
=π4−14=π−14=\frac{\pi }{4}-\frac{1}{4}=\frac{\pi -1}{4}
例题5:证明:F(x)=∫0πln⁡(x2+2xcos⁡t+1)dtF(x)=\int_{0}^{\pi }\ln(x^2+2x\cos t +1)dt为偶函数。
证明:因为求证函数为偶函数,所以F(x)=F(−x)F(x)=F(-x)
F(−x)=∫0πln⁡(x2−2xcos⁡t+1)dtF(-x)=\int_{0}^{\pi }\ln(x^2-2x\cos t +1)dt
又∫0πln⁡(x2−2xcos⁡t+1)dt=∫0πln⁡(x2+2xcos⁡(π−t)+1)dt\int_{0}^{\pi }\ln(x^2-2x\cos t +1)dt=\int_{0}^{\pi }\ln(x^2+2x\cos (\pi -t) +1)dt
=∫0πln⁡(x2+2xcos⁡t+1)dt=F(x)=\int_{0}^{\pi }\ln(x^2+2x\cos t +1)dt=F(x)
故F(x)=F(−x)F(x)=F(-x),即F(x)F(x)为偶函数。


定积分的几何应用
  1. x型图:由上下两个函数围成的面积(分上下观看)
    公式:S=∫abf上(x)−f下(x)dxS=\int_{a}^{b}f_上(x)-f_下(x)dx
  2. y型图:由左右两个函数围成的面积(分左右观看)
    公式:S=∫cdf右(y)−f左(y)dxS=\int_{c}^{d}f_右(y)-f_左(y)dx
    注意:选用y型图,改写为x=f(y)
    解题思路:
    (1). 画图,确定积分区间(联立函数,找曲线交点)
    (2). 确定积分类型
    (3). 套公式
    例题1:求由曲线y=x2y=x^2与y=1xy=\frac{1}{x}与x=2x=2所围成的图形面积。
    解:

    选择x型图 S=∫12(x2−1x)dxS=\int_{1}^{2}(x^2-\frac{1}{x})dx =13x3−ln⁡x∣21=\frac{1}{3}x^3-\ln x|\begin{matrix}2\\1\end{matrix} =(83−ln⁡2)−(13−ln⁡1)=(\frac{8}{3}-\ln 2)-(\frac{1}{3}-\ln 1) =73−ln⁡2=\frac{7}{3}-\ln 2 例题2:求由曲线y=x2y=x^2与y=xy=\sqrt{x}所围成的图形面积。
    解:
    联立两个方程{y=x2y=x\left\{\begin{matrix}y=x^2\\y=\sqrt{x} \end{matrix}\right.
    联立x2=xx^2=\sqrt{x},得交点(0,0),(1,1)(0,0),(1,1)

    选择x型图 S=∫01(x−x2)dxS=\int_{0}^{1}(\sqrt{x}-x^2)dx ∫01(x12−x2)dx\int_{0}^{1}(x^{\frac{1}{2} }-x^2)dx =23x32−13x3∣10=\frac{2}{3}x^{\frac{3}{2}}-\frac{1}{3}x^3|\begin{matrix}1\\0\end{matrix} =23−13=1=\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=1 选择y型图 S=∫01(y−y2)dyS=\int_{0}^{1}(\sqrt{y}-y^2)dy =23y32−13y3∣10=\frac{2}{3}y^{\frac{3}{2}}-\frac{1}{3}y^3|\begin{matrix}1\\0\end{matrix} =23−13=13=\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=\frac{1}{3} 例题3:求由曲线y=1xy=\frac{1}{x}、y=xy=x、x=2x=2及xx轴所围成的图形面积。
    解:

    选择x型图 S=S1+S2S=S_1+S_2 S1=∫01xdx=12∣10=12S_1=\int_{0}^{1}xdx=\frac{1}{2}|\begin{matrix}1\\0\end{matrix}=\frac{1}{2} S2=∫121xdx=ln⁡∣x∣∣21=ln⁡2S_2=\int_{1}^{2}\frac{1}{x}dx=\ln |x| |\begin{matrix}2\\1\end{matrix}=\ln 2 即S=S1+S2=ln⁡2+12S=S_1+S_2=\ln 2+\frac{1}{2}

定积分求旋转体积
  1. x型图绕x轴旋转
    公式:Vx=π∫abf2(x)dxV_x=\pi \int_{a}^{b}f^2(x)dx
    若是两个函数,f上(x),f下(x)f_上(x),f_下(x)间的体积,Vx=π∫abf上2(x)−f下2(x)dxV_x=\pi \int_{a}^{b}f_上^2(x)-f_下^2(x)dx
  2. y型图绕y轴旋转
    公式:Vy=π∫cdf2(y)dyV_y=\pi \int_{c}^{d}f^2(y)dy
    若是两个函数,f左(y),f右(y)f_左(y),f_右(y)间的体积,Vy=π∫abf右2(y)−f左2(y)dyV_y=\pi \int_{a}^{b}f_右^2(y)-f_左^2(y)dy
  3. x型图绕y轴旋转

    公式:V=2π∫abx⋅f(x)dyV=2\pi \int_{a}^{b}x\cdot f(x)dy
    例题1:求由函数y=sin⁡x,0≤x≤πy=\sin x,0\le x\le \pi 与xx轴所围成的图形绕y轴旋转一周所得旋转体积。
    解:
    V=2π∫abx⋅f(x)dxV=2\pi \int_{a}^{b}x \cdot f(x)dx =2π∫0πx⋅sin⁡xdx=2\pi \int_{0}^{\pi}x\cdot \sin xdx =−2π∫0πxdcos⁡x=-2\pi \int_{0}^{\pi}x d\cos x =−2π(x⋅cos⁡x∣π0−∫0πcos⁡xdx)=-2\pi (x\cdot \cos x|\begin{matrix}\pi\\0\end{matrix}-\int_{0}^{\pi}\cos xdx) =−2π(π⋅π−sin⁡x∣π0)=-2\pi (\pi \cdot \pi-\sin x|\begin{matrix}\pi\\0\end{matrix}) =−2π(π⋅(−1)−0=-2\pi (\pi \cdot (-1)-0 =2π2=2\pi ^2 例题2:求由函数y=xy=\sqrt{x}与x=4x=4及x轴所围成的面积和绕y轴旋转一周所得旋转体积。
    解:
    S=∫04xdxS=\int_{0}^{4}\sqrt{x}dx =∫04x12dx=\int_{0}^{4}x^{\frac{1}{2} }dx =23⋅x32∣40=\frac{2}{3}\cdot x^{\frac{3}{2} }|\begin{matrix}4\\0\end{matrix} =23⋅(4)32=\frac{2}{3}\cdot (4)^{\frac{3}{2} } =163=\frac{16}{3} V=π∫cdf右2(y)−f左2(y)dyV=\pi \int_{c}^{d}f_右^2(y)-f_左^2(y)dy =π∫02(42−y4)dy=\pi \int_{0}^{2}(4^2-y^4)dy =π∫0216−y4dy=\pi \int_{0}^{2}16-y^4dy =π⋅1(6y−15x5∣20=\pi \cdot 1(6y-\frac{1}{5}x^5|\begin{matrix}2\\0\end{matrix} =π⋅(32−325)=\pi \cdot (32-\frac{32}{5}) =1285π=\frac{128}{5}\pi 或V=2π∫abx⋅f(x)dxV=2\pi \int_{a}^{b}x \cdot f(x)dx =2π∫04x⋅xdx=2\pi \int_{0}^{4}x\cdot \sqrt{x}dx =2π∫04x32dx=2\pi \int_{0}^{4}x^{\frac{3}{2} }dx =2π25x52∣40=2\pi \frac{2}{5}x^{\frac{5}{2} }|\begin{matrix}4\\0\end{matrix} =4π5425=\frac{4\pi }{5} 4^{\frac{2}{5} } =1285π=\frac{128}{5}\pi
  • 标题: 高等数学-积分
  • 作者: SunnyDusk
  • 创建于 : 2023-11-15 12:04:00
  • 更新于 : 2025-04-21 15:55:27
  • 链接: https://www.030706.xyz,https//www.sunnydusk.cn/2023/11/15/math-3/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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高等数学-积分