2021考研数学 高等数学第四章 不定积分

    技术2022-07-10  205

    文章目录

    1. 背景1. 不定积分的概念与性质1.1. 不定积分1.2. 原函数存在定理1.3. 不定积分的性质 2. 不定积分基本公式3. 三种主要积分法3.1. 第一换元积分法3.2. 第二换元积分法3.3. 分部积分法 4. 三类常见可积函数积分4.1. 有理函数4.2. 三角有理式积分4.3. 简单无理函数积分 5. 总结


    1. 背景

    前段时间复习完了高数第四章的内容,我参考《复习全书·基础篇》和老师讲课的内容对这一章的知识点进行了整理,形成了这篇笔记,方便在移动设备上进行访问和后续的补充修改。

    1. 不定积分的概念与性质

    1.1. 不定积分

    定义

    f ( x ) f(x) f(x)的原函数的全体成为 f ( x ) f(x) f(x)的不定积分,记为 ∫ f ( x ) d x \int f(x)dx f(x)dx.

    如果 F ( x ) F(x) F(x) f ( x ) f(x) f(x)的一个原函数,则有

    ∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C (4.1) \int {f(x)}dx = F(x) + C \tag{4.1} f(x)dx=F(x)+C(4.1)

    其中 C C C为任意常数

    1.2. 原函数存在定理

    证明存在的定理

    f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上连续,则 f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上一定存在原函数

    证明不存在的定理

    f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上有第一类间断点,则 f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上没有原函数

    1.3. 不定积分的性质

    ( ∫ f ( x ) d x ) ′ = f ( x ) , d ( ∫ f ( x ) d x ) = f ( x ) d x (4.2) (\int {f(x)}dx)' = f(x), d (\int {f(x)}dx) = f(x)dx \tag{4.2} (f(x)dx)=f(x),d(f(x)dx)=f(x)dx(4.2)

    ∫ f ′ ( x ) d x = f ( x ) + C , ∫ d f ( x ) d x = f ( x ) + C (4.3) \int {f'(x)}dx = f(x) + C, \int d{f(x)}dx = f(x) + C \tag{4.3} f(x)dx=f(x)+C,df(x)dx=f(x)+C(4.3)

    ∫ f ( x ) ± g ( x ) d x = ∫ f ( x ) d x ± ∫ g ( x ) d x (4.4) \int {f(x) \pm g(x)}dx = \int {f(x)}dx \pm \int {g(x)}dx \tag{4.4} f(x)±g(x)dx=f(x)dx±g(x)dx(4.4)

    ∫ k f ( x ) d x = k ∫ f ( x ) d x , ( k = C ) (4.5) \int k{f(x)}dx = k \int {f(x)}dx, (k = C) \tag{4.5} kf(x)dx=kf(x)dx,(k=C)(4.5)


    2. 不定积分基本公式

    ∫ 0 d x = C (4.6) \int {0}dx = C \tag{4.6} 0dx=C(4.6)

    ∫ x a d x = 1 a + 1 x α + 1 + C , ( α ≠ − 1 ) (4.7) \int {x^a}dx = \frac{1}{a+1}x^{\alpha + 1} + C, (\alpha \ne -1) \tag{4.7} xadx=a+11xα+1+C,(α=1)(4.7)

    ∫ 1 x d x = ln ⁡ ∣ x ∣ + C (4.8) \int \frac{1}{x} dx = \ln|x| + C \tag{4.8} x1dx=lnx+C(4.8)

    ∫ a x d x = a x ln ⁡ a + C , ( a > 0 , a ≠ 1 ) (4.9) \int a^x dx = \frac{a^x}{\ln a} + C, (a > 0, a \ne 1) \tag{4.9} axdx=lnaax+C,(a>0,a=1)(4.9)

    ∫ e x d x = e x + C (4.10) \int e^x dx = e^x + C \tag{4.10} exdx=ex+C(4.10)

    ∫ sin ⁡ x d x = − cos ⁡ ( x ) + C (4.11) \int \sin x dx = - \cos(x) + C \tag{4.11} sinxdx=cos(x)+C(4.11)

    ∫ cos ⁡ ( x ) d x = sin ⁡ ( x ) + C (4.12) \int \cos(x) dx = \sin(x) + C \tag{4.12} cos(x)dx=sin(x)+C(4.12)

    ∫ sec ⁡ 2 x d x = tan ⁡ ( x ) + C (4.13) \int \sec^2 x dx = \tan(x) + C \tag{4.13} sec2xdx=tan(x)+C(4.13)

    ∫ csc ⁡ 2 x d x = − ctg ⁡ x + C (4.14) \int \csc^2 x dx = -\ctg x + C \tag{4.14} csc2xdx=ctgx+C(4.14)

    ∫ sec ⁡ x tan ⁡ x d x = sec ⁡ x + C (4.15) \int \sec x \tan x dx = \sec x + C \tag{4.15} secxtanxdx=secx+C(4.15)

    ∫ csc ⁡ x ctg ⁡ x d x = − csc ⁡ x + C (4.16) \int \csc x \ctg x dx = - \csc x + C \tag{4.16} cscxctgxdx=cscx+C(4.16)


    ∫ 1 1 − x 2 d x = arcsin ⁡ x + C (4.17) \int \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}dx = \arcsin x + C \tag{4.17} 1x2 1dx=arcsinx+C(4.17)

    证明4.17: 凑微分法

    ∫ 1 1 − x 2 d x = ∫ d x a 1 − ( x a ) 2 d x = ∫ d ( x a ) 1 − ( x a ) 2 d x = arcsin ⁡ x + C { \begin{aligned} \int \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}dx &= \int \dfrac{dx}{a \sqrt{1 - (\dfrac{x}{a}})^2} dx \\ &= \int \frac{d (\dfrac{x}{a})}{\sqrt{1 - (\dfrac{x}{a}})^2} dx \\ &= \arcsin x + C \end{aligned} } 1x2 1dx=a1(ax )2dxdx=1(ax )2d(ax)dx=arcsinx+C


    ∫ 1 1 + x 2 d x = arctan ⁡ x + C (4.18) \int \frac{1}{{1 + x^2}}dx = \arctan x + C \tag{4.18} 1+x21dx=arctanx+C(4.18)

    ∫ 1 a 2 + x 2 d x = 1 a arctan ⁡ x a + C (4.19) \int \frac{1}{{a^2 + x^2}}dx = \frac{1}{a} \arctan \frac{x}{a} + C \tag{4.19} a2+x21dx=a1arctanax+C(4.19)

    ∫ 1 x 2 − a 2 d x = 1 2 a ln ⁡ ∣ x − a x + a ∣ + C (4.20) \int \frac{1}{x^2 - a^2} dx = \frac{1}{2a} \ln|\frac{x-a}{x+a}| + C \tag{4.20} x2a21dx=2a1lnx+axa+C(4.20)


    ∫ 1 x 2 + a 2 d x = ln ⁡ ( x + x 2 + a 2 ) + C (4.21) \int \frac{1}{\sqrt{x^2 + a^2}} dx = \ln (x + \sqrt{x^2 + a^2}) + C \tag{4.21} x2+a2 1dx=ln(x+x2+a2 )+C(4.21)

    证明4.21: 第二类换元法,令 x = a tan ⁡ t x = a\tan t x=atant

    ∫ 1 x 2 + a 2 d x = ∫ a sec ⁡ 2 t a sec ⁡ t d t = ∫ sec ⁡ t d t = ln ⁡ ∣ sec ⁡ t + tan ⁡ t ∣ + C = ln ⁡ ∣ x + x 2 + a 2 ∣ − ln ⁡ a + C = ln ⁡ ∣ x + x 2 + a 2 ∣ + C { \begin{aligned} \int \frac{1}{\sqrt{x^2 + a^2}} dx &= \int \frac{a\sec^2 t}{a \sec t} dt = \int \sec t dt \\ &= \ln |\sec t + \tan t| + C \\ &= \ln |x + \sqrt{x^2 + a^2}| - \ln a+ C\\ &= \ln |x + \sqrt{x^2 + a^2}| + C \end{aligned} } x2+a2 1dx=asectasec2tdt=sectdt=lnsect+tant+C=lnx+x2+a2 lna+C=lnx+x2+a2 +C


    ∫ 1 x 2 − a 2 d x = ln ⁡ ∣ x + x 2 − a 2 ∣ + C (4.22) \int \frac{1}{\sqrt{x^2 - a^2}} dx = \ln |x + \sqrt{x^2 - a^2}| + C \tag{4.22} x2a2 1dx=lnx+x2a2 +C(4.22)

    证明4.22: 第二类换元法,令 x = a sec ⁡ t x = a\sec t x=asect

    ∫ 1 x 2 − a 2 d x = ∫ a sec ⁡ t tan ⁡ t a tan ⁡ t d t = ∫ sec ⁡ t d t = ln ⁡ ∣ sec ⁡ t + tan ⁡ t ∣ + C = ln ⁡ ∣ x + x 2 − a 2 ∣ − ln ⁡ a + C = ln ⁡ ∣ x + x 2 − a 2 ∣ + C { \begin{aligned} \int \frac{1}{\sqrt{x^2 - a^2}} dx &= \int \frac{a\sec t \tan t}{a \tan t} dt = \int \sec t dt \\ &= \ln |\sec t + \tan t| + C \\ &= \ln |x + \sqrt{x^2 - a^2}| - \ln a+ C\\ &= \ln |x + \sqrt{x^2 - a^2}| + C \end{aligned} } x2a2 1dx=atantasecttantdt=sectdt=lnsect+tant+C=lnx+x2a2 lna+C=lnx+x2a2 +C


    ∫ sec ⁡ x d x = ln ⁡ ∣ sec ⁡ x + tan ⁡ x ∣ + C (4.23) \int {\sec x} dx = \ln |\sec x + \tan x| + C \tag{4.23} secxdx=lnsecx+tanx+C(4.23)

    证明4.23: 凑微分法

    ∫ sec ⁡ x d x = ∫ sec ⁡ x [ sec ⁡ x + tan ⁡ x ] sec ⁡ x + tan ⁡ x d x = ∫ sec ⁡ 2 x + sec ⁡ x tan ⁡ x sec ⁡ x + tan ⁡ x d x = ∫ d ( sec ⁡ x + tan ⁡ x ) sec ⁡ x + tan ⁡ x = ln ⁡ ∣ sec ⁡ x + tan ⁡ x ∣ + C { \begin{aligned} \int {\sec x} dx &= \int \frac{\sec x[\sec x + \tan x]}{\sec x + \tan x} dx &=& \int \frac{\sec^2 x + \sec x \tan x}{\sec x + \tan x} dx \\ &= \int \frac{d(\sec x + \tan x)}{\sec x + \tan x}\\ &= \ln |\sec x + \tan x| + C \end{aligned} } secxdx=secx+tanxsecx[secx+tanx]dx=secx+tanxd(secx+tanx)=lnsecx+tanx+C=secx+tanxsec2x+secxtanxdx

    ∫ csc ⁡ x d x = − ln ⁡ ∣ csc ⁡ x + ctg ⁡ x ∣ + C (4.24) \int {\csc x} dx = -\ln |\csc x + \ctg x| + C \tag{4.24} cscxdx=lncscx+ctgx+C(4.24)

    证明4.24: 凑微分法

    ∫ csc ⁡ x d x = ∫ csc ⁡ x [ csc ⁡ x + ctg ⁡ x ] csc ⁡ x + ctg ⁡ x d x = ∫ csc ⁡ 2 x + csc ⁡ x ctg ⁡ x csc ⁡ x + ctg ⁡ x d x = ∫ d ( csc ⁡ x + ctg ⁡ x ) csc ⁡ x + ctg ⁡ x = ln ⁡ ∣ csc ⁡ x + ctg ⁡ x ∣ + C { \begin{aligned} \int {\csc x} dx &= \int \frac{\csc x[\csc x + \ctg x]}{\csc x + \ctg x} dx &=& \int \frac{\csc^2 x + \csc x \ctg x}{\csc x + \ctg x} dx \\ &= \int \frac{d(\csc x + \ctg x)}{\csc x + \ctg x}\\ &= \ln |\csc x + \ctg x| + C \end{aligned} } cscxdx=cscx+ctgxcscx[cscx+ctgx]dx=cscx+ctgxd(cscx+ctgx)=lncscx+ctgx+C=cscx+ctgxcsc2x+cscxctgxdx


    3. 三种主要积分法

    3.1. 第一换元积分法

    定理 设 ∫ f ( u ) d u = F ( u ) + C \int f(u) du = F(u) + C f(u)du=F(u)+C, u = φ ( x ) u = \varphi(x) u=φ(x)存在连续导数,则

    ∫ f [ φ ( x ) ] φ ′ ( x ) d x = ∫ f [ φ ( x ) ] d φ x = F ( φ ( x ) ) + C (4.25) \int f[\varphi(x)]\varphi '(x) dx = \int f[\varphi(x)] d\varphi x = F(\varphi(x)) + C \tag{4.25} f[φ(x)]φ(x)dx=f[φ(x)]dφx=F(φ(x))+C(4.25)

    3.2. 第二换元积分法

    定理 设 x = φ ( x ) x = \varphi (x) x=φ(x)是单调的、可导的函数,并且 φ ′ ( t ) ≠ 0 \varphi'(t) \ne 0 φ(t)=0,又

    ∫ f [ φ ( t ) ] φ ′ ( t ) d t = F ( φ ( t ) ) + C \int f[\varphi(t)]\varphi '(t) dt = F(\varphi(t)) + C f[φ(t)]φ(t)dt=F(φ(t))+C

    ∫ f ( x ) d x = ∫ f [ φ ( t ) ] φ ′ ( t ) d t = F ( φ ( t ) ) + C = F [ φ − 1 ( x ) ] + C (4.26) \int {f(x)} dx = \int f[\varphi(t)]\varphi '(t) dt = F(\varphi(t)) + C = F[\varphi^{-1}(x)] + C \tag{4.26} f(x)dx=f[φ(t)]φ(t)dt=F(φ(t))+C=F[φ1(x)]+C(4.26)

    注:式中对 φ ( t ) \varphi (t) φ(t)求导的部分容易被遗漏

    常用的三种变量代换

    被积函数含有 a 2 − x 2 \sqrt{a^2 - x^2} a2x2 ,令 x = a sin ⁡ x x = a\sin x x=asinx(或 a cos ⁡ x a \cos x acosx).

    被积函数含有 x 2 + a 2 \sqrt{x^2 + a^2} x2+a2 ,令 x = a tan ⁡ x x = a\tan x x=atanx.

    被积函数含有 x 2 − a 2 \sqrt{x^2 - a^2} x2a2 ,令 x = a sec ⁡ x x = a\sec x x=asecx.

    3.3. 分部积分法

    分部积分公式

    ∫ u d v = u v − ∫ v d u (4.27) \int u dv = uv - \int v du \tag{4.27} udv=uvvdu(4.27)

    分部积分法中 u , v u,v u,v的选取 把多项式以外的函数凑进微分号,因为对多项式求导若干次后能够将其化为常数项

    ∫ p n ( x ) e α x d x , ∫ p n ( x ) sin ⁡ α x d x , ∫ p n ( x ) cos ⁡ α x d x \int p_n(x)e^{\alpha x} dx, \int p_n(x)\sin \alpha x dx, \int p_n(x)\cos \alpha x dx pn(x)eαxdx,pn(x)sinαxdx,pn(x)cosαxdx

    把指数函数或三角函数凑进微分号都可以,但把指数凑进去更简单

    ∫ e α x sin ⁡ β x d x , ∫ e α x cos ⁡ β x \int e^{\alpha x}\sin \beta x dx, \int e^{\alpha x}\cos \beta x eαxsinβxdx,eαxcosβx

    把多项式凑进微分号,多项式以外的函数方便求导,不方便积分

    ∫ p n ( x ) ln ⁡ x d x , ∫ p n ( x ) arctan ⁡ x d x , ∫ p n ( x ) arcsin ⁡ x d x \int p_n(x)\ln x dx, \int p_n(x)\arctan x dx, \int p_n(x)\arcsin x dx pn(x)lnxdx,pn(x)arctanxdx,pn(x)arcsinxdx


    4. 三类常见可积函数积分

    4.1. 有理函数

    有理函数积分 ∫ R ( x ) d x \int R(x) dx R(x)dx 一般方法(部分分式法)特殊方法(加项减项拆或凑微分降幂)

    4.2. 三角有理式积分

    三角有理式积分 ∫ R ( sin ⁡ x , cos ⁡ x ) d x \int R(\sin x, \cos x) dx R(sinx,cosx)dx 一般方法(万能代换)令 tan ⁡ x 2 = t \tan \dfrac{x}{2} = t tan2x=t.

    ∫ R ( sin ⁡ x , cos ⁡ x ) d x = ∫ R ( 2 t 1 + t 2 , 1 − t 2 1 + t 2 ) d t (4.28) \int R(\sin x, \cos x) dx = \int R(\frac{2t}{1 + t^2}, \frac{1 - t^2}{1 + t^2}) dt \tag{4.28} R(sinx,cosx)dx=R(1+t22t,1+t21t2)dt(4.28)

    特殊方法(三角变形,换元,分解) 几种常用的换元法 若 R ( − sin ⁡ x , cos ⁡ x ) = − R ( sin ⁡ x , cos ⁡ x ) R(- \sin x, \cos x) = - R(\sin x, \cos x) R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx),则令 u = cos ⁡ x u = \cos x u=cosx,或凑 d cos ⁡ x d\cos x dcosx.若 R ( sin ⁡ x , − cos ⁡ x ) = − R ( sin ⁡ x , cos ⁡ x ) R(\sin x, - \cos x) = - R(\sin x, \cos x) R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx),则令 u = sin ⁡ x u = \sin x u=sinx,或凑 d sin ⁡ x d\sin x dsinx.若 R ( − sin ⁡ x , − cos ⁡ x ) = R ( sin ⁡ x , cos ⁡ x ) R(- \sin x, - \cos x) = R(\sin x, \cos x) R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx),则令 u = tan ⁡ x u = \tan x u=tanx,或凑 d tan ⁡ x d\tan x dtanx.

    4.3. 简单无理函数积分

    简单无理函数积分 $ \int R(x, \sqrt[n]{\dfrac{ax + b}{cx + d}}) dx$

    a x + b c x + d n = t \sqrt[n]{\dfrac{ax + b}{cx + d}} = t ncx+dax+b =t,将其转化为有理函数积分进行计算


    5. 总结

    两个概念

    原函数不定积分

    三种方法

    第一类换元法第二类换元法分部积分法

    三种形式

    有理函数三角有理式简单无理函数
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