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Michael Jackson

Lecture 28:不定积分

1567 字
8 分钟
Lecture 28:不定积分

本章常考题型与典型例题#

考试内容

  • (一)不定积分的概念与性质
  • (二)不定积分基本公式
  • (三)三种主要积分法
  • (四)三类常见可积函数的积分

常考题型

  • 求不定积分 (换元、分部)

1.1 什么是不定积分#

知识点分布

  • 2+3+3
  • 2:两个概念 -> 1. 原函数; 2. 不定积分;
  • 3:三种方法:两类换元+分布;
  • 3:三类常见积分

重点:三种方法 -> 两类换元+分布;

尺度:基本的不定积分方法掌握即可;

1.1.1 基本概念#

原函数

  • 概念:
    • F′(x)=f(x)F^{\prime}(x)=f(x)
    • G′(x)=f(x)G^{\prime}(x)=f(x)
  • 则:G(x)−F(x)=CG(x)-F(x)=C
定义: #不定积分#

描述:一个函数 f(x)f(x) 的不定积分(或者说是原函数)是一个导数等于 f(x)f(x) 的函数 F(x)F(x) ,即 F′(x)= f(x)F′(x) = f (x),或写成 [F(x)+c]′=f(x)[F (x)+c]^{\prime}=f (x) 或者:∫f(x)dx=F(x)+C\int f(x)dx=F(x)+C

解释

  • 概念:
    • 不定积分就是 f(x)f(x) 原函数的一般表达式;
  • 举例:
    • 比如在 ∫f(x)dx=F(x)+C\int f_{(x)}dx=F_{(x)}+C 中:
    • 设 F(x)F(x) 是函数 f(x)f(x) 的一个原函数;
    • 把函数 f(x)f(x) 的所有原函数 F(x)+CF(x)+C 叫做函数 f(x)f(x) 的不定积分,又叫做函数 f(x)f(x) 的反导数;
  • 符号:
    • ∫\int :积分号;
    • f(x)f(x):被积函数;
    • dxdx:积分变量;
    • f(x)dxf(x)dx:被积式
    • CC:积分常数;

不定积分的几何意义

  • 一组在 Y 轴上相差常数大小的曲线;

1.1.2 原函数存在性#

定理: #原函数存在定理#

描述:

  1. 若 f(x)f(x) 在区间 II 上连续, 则 f(x)f(x) 在区间 II 上一定存在原函数;
  2. 若 f(x)f(x) 在区间 II 上有第一类间断点,则 f(x)f(x) 在区间 II 上没有原函数;

解释

  • 关系:
    • 连续的函数,一定存在原函数;
    • 连续 -> 存在原函数;
    • 存在原函数 -X> 连续;
  • 结论:
    • 不连续的函数可能会有原函数,但此函数不可以有第一类间断点,可以为第二类间断点;

举例

  • g(x)=sgn⁡x={−1,x<0,0,x=0,1,x>0.g(x)=\operatorname{sgn}x=\begin{cases}-1,&x<0,\\0,&x=0,\\1,&x>0.&\end{cases} 有跳跃间断点 -> 属于第一类间断点 -> 没有原函数;
  • 原因:此函数在 x=0x=0 处的原函数为 ∣x∣+c|x|+c ,而此函数不可导 -> 零点这里就没有原函数;

1.1.3 不定积分基本性质#

性质 1:

  • (∫f(x)dx)′=f(x)(\int f(x)\mathrm{d}x)^{\prime}=f(x)
  • d∫f(x)dx=f(x)dx\mathrm{d}\int f(x)\mathrm{d}x=f(x)\mathrm{d}x

性质 2:

  • ∫f′(x)d⁡x=f(x)+C\int f^{\prime}(x)\operatorname{d}x=f(x)+C
  • ∫d⁡f(x)=f(x)+C\int\operatorname{d}f(x)=f(x)+C

性质 3:

  • ∫[f(x)±g(x)]d⁡x=∫f(x)d⁡x±∫g(x)d⁡x\int[f(x)\pm g(x)]\operatorname{d}x=\int f(x)\operatorname{d}x\pm\int g(x)\operatorname{d}x

性质 4:

  • ∫kf(x)d⁡x=k∫f(x)d⁡x\int kf(x)\operatorname{d}x=k\int f(x)\operatorname{d}x

1.2 常见积分公式#

1.2.1 积分公式#

1、∫adx=ax+C , a1、\int adx=ax+C\:,\:a 是常数 2、∫xadx=xa+1a+1+C2、\int x^{a}dx=\frac{x^{a+1}}{a+1}+C ,其中 a 为常数,且 a≠−1a\neq-1 3、∫1xdx=ln⁡∣x∣+C3、\int\frac{1}{x}dx=\ln|x|+C 4、∫exdx=ex+C4、\int e^{x}dx=e^{x}+C 5、∫axdx=1ln⁡aax+C5、\int a^{x}dx=\frac{1}{\ln a}a^{x}+C ,其中 a>0 , 目a≠1a>0\:,\:目a\neq1 6、∫sin⁡xdx=−cos⁡x+C6、\int\sin xdx=-\cos x+C 7、∫cos⁡xdx=sin⁡x+C\int\cos xdx=\sin x+C 8、∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C8、\int\sec^{2}xdx=\tan x+C 9、∫csc⁡2xdx=−cot⁡x+C9、\int\csc^{2}xdx=-\cot x+C 10、∫tan⁡xdx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C10、\int\tan xdx=-\ln|\cos x|+C 11、∫cot⁡xdx=ln⁡∣sin⁡x∣+C11、\int\cot xdx=\ln\lvert\sin x\rvert+C 12、∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C12、\int\sec xdx=\ln\lvert\sec x+\tan x\rvert+C 13、∫csc⁡xdx=−ln⁡∣csc⁡x+cot⁡x∣+C13、\int\csc xdx=-\ln\lvert\csc x+\cot x\rvert+C 14、∫dx1+x2=arctan⁡x+C14、\int\frac{dx}{1+x^2}=\arctan x+C 15、∫1a2−x2dx=arcsin⁡xa+C15、\int\frac1{\sqrt{a^2-x^2}}dx=\arcsin\frac xa+C 16、∫1x2−a2dx=12aln⁡∣x−ax+a∣+C16、\int\frac1{x^2-a^2}dx=\frac1{2a}\ln\left|\frac{x-a}{x+a}\right|+C 17、∫dx1−x2=arcsin⁡x+C17、\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin x+C 18、∫1a2+x2dx=1aarctan⁡xa+C18、 \int\frac 1{a^2+x^2}dx=\frac 1 a\arctan\frac xa+C 19、∫dxx2+a2=ln⁡(x+x2+a2)+C19、\int\frac{dx}{\sqrt{x^2+a^2}}=\ln (x+\sqrt{x^2+a^2})+C 20、∫dxx2−a2=ln⁡∣x+x2−a2∣+C20、\int\frac{dx}{\sqrt{x^2-a^2}}=\ln\left|x+\sqrt{x^2-a^2}\right.|+C

常见“积不出”函数

  • ∫ex2dx∫sin⁡xxdx∫cos⁡xxdx\begin{aligned}&\int\mathrm{e}^{x^2}\mathrm{d}x\\&\int\frac{\sin x}x\mathrm{d}x\\&\int\frac{\cos x}x\mathrm{d}x\end{aligned}

1.2.2 三角函数总结#

三角函数基础

  • 倒数关系:
    • tan⁡αcot⁡α=1、sin⁡αcsc⁡α=1、cos⁡αsec⁡α=1\tan\alpha\cot\alpha=1、\sin\alpha\csc\alpha=1、\cos\alpha\sec\alpha=1
  • 商数关系:
    • tan⁡α=sin⁡αcos⁡α、cot⁡α=cos⁡αsin⁡α\tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}、\cot\alpha=\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}
  • 平方关系:
    • sin⁡2α+cos⁡2α=1、1+tan⁡2α=sec⁡2α、1+cot⁡2α=csc⁡2α \sin^{2}\alpha+\cos^{2}\alpha=1、1+\tan^{2}\alpha=\sec^{2}\alpha、1+\cot^{2}\alpha=\csc^{2}\alpha
  • 二倍角公式:
    • sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha
    • cos⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha
    • tan⁡2α=2tan⁡α1−tan⁡2α=2cot⁡αcot⁡2α−1=2cot⁡α−tan⁡α\tan2\alpha=\frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}=\frac{2\cot\alpha}{\cot^2\alpha-1}=\frac{2}{\cot\alpha-\tan\alpha}
  • 降次公式:
    • cos⁡2α=1+cos⁡2α2,sin⁡2α=1−cos⁡2α2,tan2α=1−cos2α1+cos2α\cos^{2}\alpha=\frac{1+\cos2\alpha}{2},\sin^{2}\alpha=\frac{1-\cos2\alpha}{2},tan^2\alpha=\frac{1-cos2\alpha}{1+cos2\alpha}
  • 反三角函数:
    • x=asin⁡t时,t=arcsin⁡xa.x=a\sin t { 时},t=\arcsin\frac xa.
    • x=a sect时,t=arccos⁡ax\text{x=a sect}时,t=\mathrm{arc}\cos\frac{a}{x}

三角函数求导合集

  • 正弦、余弦:
    • (sin⁡x)′=cos⁡x、(sin⁡x)′=−cos⁡x(\sin x)^{\prime}=\cos x、(\sin x)^{\prime}=-\cos x
  • tan、cot、sec、csc:
    • (tan⁡x)′=sec⁡2x(cot⁡x)′=−csc⁡2x(sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x\begin{aligned}(\tan x)^{\prime}&=\sec^2x&(\cot x)^{\prime}&=-\csc^2x\\\\(\sec x)^{\prime}&=\sec x\tan x&(\csc x)^{\prime}&=-\csc x\cot x\end{aligned}
  • 反三角函数:
    • (arcsin⁡x)′=11−x2(arccos⁡x)′=−11−x2(arctan⁡x)′=11+x2(arccotx)′=−11+x2\begin{aligned}&(\arcsin x)^{\prime}=\frac1{\sqrt{1-x^2}}&&(\arccos x)^{\prime}=-\frac1{\sqrt{1-x^2}}\\&(\arctan x)^{\prime}=\frac1{1+x^2}&&(arccot x)^{\prime}=-\frac1{1+x^2}\end{aligned}

常见三角函数积分

  • 和求导一一对应:
  • ∫sin⁡xdx=−cos⁡x+C、∫cos⁡xdx=sin⁡x+C\int\sin xdx=-\cos x+C、\int\cos xdx=\sin x+C
  • ∫tan⁡xdx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C、∫cot⁡xdx=ln⁡∣sin⁡x∣+C\int\tan xdx=-\ln|\cos x|+C、\int\cot xdx=\ln\lvert\sin x\rvert+C
  • ∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C、∫csc⁡xdx=−ln⁡∣csc⁡x+cot⁡x∣+C\int\sec xdx=\ln\lvert\sec x+\tan x\rvert+C、\int\csc xdx=-\ln\lvert\csc x+\cot x\rvert+C
  • ∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C、∫csc⁡2xdx=−cot⁡x+C\int\sec^{2}xdx=\tan x+C、\int\csc^{2}xdx=-\cot x+C
  • ∫tan⁡xsecx=sec⁡x+C、∫cot⁡x csc⁡x dx=−cscx+C\int\tan x secx=\sec x+C、\int{\cot x\,\csc x}\,dx=-csc x+C

常见反三角函数积分

  • ∫dx1−x2=arcsin⁡x+C\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin x+C
  • ∫1a2−x2dx=arcsin⁡xa+C\int\frac1{\sqrt{a^2-x^2}}dx=\arcsin\frac xa+C
  • ∫dx1+x2=arctan⁡x+C\int\frac{dx}{1+x^2}=\arctan x+C
  • ∫1a2+x2dx=1aarctan⁡xa+C\int\frac 1{a^2+x^2}dx=\frac 1 a\arctan\frac xa+C

1.3 三类常见可积函数积分#

1. 有理函数积分

  • 积分:∫R(x)d⁡x\int R(x)\operatorname{d}x
  • 有理函数:R(x)R(x)
  • (1)一般方法(部分分式法);
  • (2)特殊方法(加项减项拆 + 凑微分绛幂)
    • 加项、减项、拆举例:
      • ∫1t2−1⋅1t+1dt.\int\frac1{t^2-1}\cdot\frac1{t+1}\mathrm{d}t.
      • 得到:∫1(t2−1)(t+1)dt=12∫(t+1)−(t−1)(t2−1)(t+1)dt=14ln⁡∣t−1t+1∣+12(t+1)+C\int\frac1{(t^2-1)(t+1)}\mathrm{d}t=\frac12\int\frac{(t+1)-(t-1)}{(t^2-1)(t+1)}\mathrm{d}t=\frac14\ln\left|\frac{t-1}{t+1}\right|+\frac1{2(t+1)}+C

2. 三角有理式积分

  • 积分:∫R(sin⁡x,cos⁡x)dx\int R(\sin x,\cos x)\mathrm{d}x
  • 解释:表示 sinxsinx 和 conxconx 经过有理运算得到;
  • 一般方法:万能代换
    • 令 tan⁡x2=t\tan\frac x2=t
    • ∫R(sin⁡x,cos⁡x)d⁡x=∫R(2t1+t2,1−t21+t2)21+t2dt\int R(\sin x,\cos x)\operatorname{d}x=\int R(\frac{2t}{1+t^2},\frac{1-t^2}{1+t^2})\frac2{1+t^2}dt
  • 特殊方法(三角变形、换元、分部)
      1. 若 R(−sin⁡x,cos⁡x)=−R(sin⁡x,cos⁡x)\text{若 }R(-\sin x,\cos x)=-R(\sin x,\cos x),则令 u=cos⁡xu=\cos x
      1. 若 R(sin⁡x,−cos⁡x)=−R(sin⁡x,cos⁡x)\text{若 }R(\sin x,-\cos x)=-R(\sin x,\cos x),则令 u=sin⁡xu=\sin x
      1. 若 R(−sin⁡x,−cos⁡x)=R(sin⁡x,cos⁡x)\text{若 }R(-\sin x,-\cos x)=R(\sin x,\cos x),则令 u=tan⁡xu=\tan x
  • 举例:
    • 特殊方法:∫d⁡x1+sin⁡x=∫1−sin⁡xcos⁡2xdx=tan⁡x−1cos⁡x+C.\int\frac{\operatorname{d}x}{1+\sin x}=\int\frac{1-\sin x}{\cos^2x}\mathrm{d}x=\tan x-\frac1{\cos x}+C.
    • 一般方法:设 tan⁡x2=t\tan\frac x2=t,则 原式=∫11+2t1+t2⋅21+t2dt=∫2dt(1+t)2=−21+t+C\begin{aligned}\text{原式}& =\int\frac 1{1+\frac{2 t}{1+t^2}}\cdot{\frac 2{1+t^2}dt} \\&=\int\frac{2 dt}{\left (1+t\right)^2}=-\frac 2{1+t}+C\end{aligned}

3. 简单无理式积分

  • 积分形式:
    • ∫R(x,ax+bcx+dn)d⁡x\int R(x,\sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}})\operatorname{d}x
  • 解释:
    • 举例:∫dx(2−x)1−x\int\frac{dx}{(2-x)\sqrt{1-x}} 的两个函数当中:
      1. 一般函数的部分:(2−x)(2-x)
      1. 根号函数的部分:1−x\sqrt{1-x}
  • 一般方法:
    • 令 ax+bcx+dn=t\text{令 }\sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}}=t
  • 举例:
    • ∫1xx+1xdx\int\frac1x\sqrt{\frac{x+1}x}dx
    • 令x+1x=t,则x=1t2−1,dx=−2t(t2−1)2dt,∫1xx+1xdx=∫(t2−1)t−2t(t2−1)2dt=−2∫(1+1t2−1)dt\text{令}\sqrt{\frac{x+1}x}=t\text{,则}\quad x=\frac1{t^2-1},dx=-\frac{2t}{\left(t^2-1\right)^2}dt,\int\frac1x\sqrt{\frac{x+1}x}dx=\int(t^2-1)t\frac{-2t}{(t^2-1)^2}dt=-2\int\left(1+\frac1{t^2-1}\right)dt

1.4 常考题型#

题型: #求不定积分之换元、分部#

PART 1:解题方法#

关于两类换元法

  • 很多题目既可以使用第一类换元法、凑微分来解决,也同时可以使用第二类换元法、使用 t 复合函数来解决;
  • 能用第一类换元法时,优先使用第一类换元法;

关于分段函数求不定积分

  • 注意:在 0 点、分段函数分段点是否可以求导,观察其连续性;
    • 不连续 -> 不可导 -> 错误的原函数;
  • 方法:
      1. 分段函数求不定积分,先正常求不定积分,然后在写 C 时写上 C1、C2C1、C2;
      1. 分别求解两个函数在分段点的带 C 结果;
      1. 根据分界点连续的要求,两个函数的带 C 结果要一样,因此求出 C 1 和 C 2 的关系;
      1. 将 C1、C 2 以 C 的形式带入原函数;
  • 补充:一个隐含的前提
    • 只要被积函数是一个分段的连续函数,只要保证了连续性,则也可以保证可导性;

两个不同函数相乘

  • 当遇到两类不同函数相乘时,都可以考虑分布积分法;
  • 把不难弄的一部分凑到 dx 里面去;

已知原函数题目

  • 当题目为已知原函数,求 f(x)f(x) 在不定积分中的内容,并且不定积分中有导数时,可以直接把导数提取到 dx 中,从而直接把原函数的求导结果带入;

PART 2:典型例题#

例题:设 f(x)={ex,x≥0,cos⁡x,x<0,则∫f(x)dx=\text{设 }f(x)=\begin{cases}&e^x,&x\geq0,\\&\cos x,&x<0,&\end{cases}\text{则}\int f(x)dx=

  • 分析
    • ∫f(x)dx={ex+c1,x≥0sin⁡′x+c2′x<0\left.\int f(x)dx=\left\{\begin{array}{l}{{e^{x}+c_{1}},}&{{{x\geq0}}}\\{{\sin^{\prime}x+c_{2}^{\prime}}}&{{x<0}}\\\end{array}\right.\right.
    • 此时,当 x 分别趋向正 0 和负 0,得到:1+C1=C21+C_1=C_2
    • 所以令 C1=CC_1=C,则 C2=1+CC_2=1+C,带入原式;
    • ∫f(x)dx={ex+c,x≥0sinx+1+c.x<0\left.\int f(x)dx=\left\{\begin{array}{ll}{{e^{x}+c,\quad x\geq0}}\\{{sinx+1+c.\quad x<0}}\\\end{array}\right.\right.
  • 解析
  • 题型:#

例题:计算 ∫x2a2−x2dx(a>0).\text{计算 }\int\frac{x^2}{\sqrt{a^2-x^2}}dx(a>0).

  • 分析
    • 总结:当 x=a∗sint时,此时sint∗cost=xa∗1−x2a2x=a*sint 时,此时 sint*cost=\frac{x}{a} * \sqrt{1-\frac{x^{2}}{a^{2}}}
    • 其中 xa\frac{x}{a} 为 sint ,1−x2a2\sqrt{1-\frac{x^{2}}{a^{2}}} 为使用 sin⁡2α+cos⁡2α=1\sin^{2}\alpha+\cos^{2}\alpha=1 公式计算得到的结果
  • 解析
  • 题型:#

例题:已知 sin⁡xx\frac{\sin x}x 是 f(x) 的一个原函数,求 ∫x3f′(x)d⁡x\int x^3f^{\prime}(x)\operatorname{d}x

  • 分析
    • 直接将 ∫x3f′(x)dx=∫x3df(x)\int x^{3}f'(x)\mathsf{d}x=\int x^{3}df(x) 然后直接分部;
    • =x3f(x)−3∫x2d(sin⁡xx)=x^3f(x)-3\int x^2\mathrm{d}\left(\frac{\sin x}x\right)
  • 解析
  • 题型:#

PART 3:知识点复盘#

总结:

  • 当 x=a∗sint时,此时sint∗cost=xa∗1−x2a2x=a*sint 时,此时 sint*cost=\frac{x}{a} * \sqrt{1-\frac{x^{2}}{a^{2}}}
  • 其中 xa\frac{x}{a} 为 sint ,1−x2a2\sqrt{1-\frac{x^{2}}{a^{2}}} 为使用 sin⁡2α+cos⁡2α=1\sin^{2}\alpha+\cos^{2}\alpha=1 公式计算得到的结果

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