高等数学:一元函数积分学

Dec 14, 2023 · 11260 字

不定积分

定义:如果在某区间 II 上,F(x)=f(x)F'(x)=f(x) 或者 dF(x)=f(x)dxdF(x)=f(x)dx,那么称 F(x)F(x) 是函数 f(x)f(x) 的一个原函数

定义:设 F(x)F(x) 是函数 f(x)f(x) 在某区间 II 上的一个原函数,则函数族 F(x)+CF(x)+C 表示 f(x)f(x)II 上的一切原函数,称为 f(x)f(x)不定积分,记作

f(x)dx=F(x)+C\int f(x)dx=F(x)+C

其中 xx 为积分变量,f(x)f(x) 为被积函数,f(x)dxf(x)dx 为被积表达式,\int 为积分符号。

不定积分有以下性质:

ddxf(x)dx=f(x)d(f(x)dx)=f(x)dx\frac{d}{dx}\int f(x)dx=f(x) \\ d\left(\int f(x)dx\right)=f(x)dx

即积分运算与微分运算是互逆的——先积分后微分得到原来的被积函数,先微分后积分则相差一个常数,即 df(x)=f(x)+C\int df(x)=f(x)+C

定理:若函数 f(x)f(x) 在区间 II 上连续,则 f(x)f(x)II 上存在原函数 F(x)F(x)

基本积分公式与积分运算法则

  • kdx=kx+C\int kdx=kx+C
  • xαdx=1α+1xα+1+C,(α1)\int x^\alpha dx=\frac1{\alpha+1}x^{\alpha+1}+C,(\alpha\ne-1)
  • dxx=lnx+C\int\frac{dx}x=\ln|x|+C
  • axdx=axlna+C,(a>0,a1)\int a^xdx=\frac{a^x}{\ln a}+C,(a>0,a\ne1)
  • exdx=ex+C\int e^xdx=e^x+C
  • cosxdx=sinx+C\int\cos xdx=\sin x+C
  • sinxdx=cosx+C\int \sin xdx=-\cos x+C
  • sec2xdx=1cos2xdx=tanx+C\int\sec^2xdx=\int\frac1{\cos^2x}dx=\tan x+C
  • csc2xdx=1sin2xdx=cotx+C\int\csc^2xdx=\int\frac1{\sin^2x}dx=-\cot x+C
  • secxtanxdx=secx+C\int\sec x\tan xdx=\sec x+C
  • cscxcotxdx=cscx+C\int\csc x\cot xdx=-\csc x+C
  • dx1x2=arcsinx+C\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin x+C
  • dx1+x2=arctanx+C\int\frac{dx}{1+x^2}=\arctan x+C
  • sinhxdx=coshx+C\int\sinh xdx=\cosh x+C
  • coshxdx=sinhx+C\int\cosh xdx=\sinh x+C

积分的线性运算法则:若函数 f(x),g(x)f(x),g(x) 的不定积分都存在,则对不全为 0 的任意常数 k1,k2k_1,k_2,有

[k1f(x)+k2g(x)]dx=k1f(x)dx+k2g(x)dx\int[k_1f(x)+k_2g(x)]dx=k_1\int f(x)dx+k_2\int g(x)dx

不定积分的计算

第一类换元法(凑微分法):设 f(x)dx=F(x)+C,u=φ(x)\int f(x)dx=F(x)+C,u=\varphi(x) 是可微函数,则有换元公式

f(φ(x))φ(x)dx=f(u)du=F(u)+C=F(φ(x))+C\int f(\varphi(x))\varphi'(x)dx=\int f(u)du=F(u)+C=F(\varphi(x))+C

以下是常见的凑微分法:

  • f(x)2xdx=f(x)d(x)\int\frac{f(\sqrt x)}{2\sqrt x}dx=\int f(\sqrt x)d(\sqrt x)
  • 1x2f(1x)dx=f(1x)d(1x)\int\frac1{x^2}f(\frac1x)dx=-\int f(\frac1x)d(\frac1x)
  • f(axn+b)xn1dx=1naf(axn+b)d(axn+b)\int f(ax^n+b)x^{n-1}dx=\frac1{na}\int f(ax^n+b)d(ax^n+b)
  • (11x2)f(x+1x)dx=f(x+1x)d(x+1x)\int(1-\frac1{x^2})f(x+\frac1x)dx=\int f(x+\frac1x)d(x+\frac1x)
  • (1+1x2)f(x1x)dx=f(x1x)d(x1x)\int(1+\frac1{x^2})f(x-\frac1x)dx=\int f(x-\frac1x)d(x-\frac1x)
  • exf(ex)dx=f(ex)d(ex)\int e^xf(e^x)dx=\int f(e^x)d(e^x)
  • f(lnx)xdx=f(lnx)d(lnx)\int\frac{f(\ln x)}xdx=\int f(\ln x)d(\ln x)
  • (1+lnx)f(xlnx)dx=f(xlnx)d(xlnx)\int(1+\ln x)f(x\ln x)dx=\int f(x\ln x)d(x\ln x)
  • f(sinx)cosxdx=f(sinx)d(sinx)\int f(\sin x)\cos xdx=\int f(\sin x)d(\sin x)
  • f(cosx)sinxdx=f(cosx)d(cosx)\int f(\cos x)\sin xdx=\int f(\cos x)d(\cos x)
  • f(tanx)sec2xdx=f(tanx)d(tanx)\int f(\tan x)\sec^2xdx=\int f(\tan x)d(\tan x)
  • f(cotx)csc2xdx=f(cotx)d(cotx)\int f(\cot x)\csc^2xdx=\int f(\cot x)d(\cot x)
  • f(secx)secxtanxdx=f(secx)d(secx)\int f(\sec x)\sec x\tan xdx=\int f(\sec x)d(\sec x)
  • f(cscx)cscxcotxdx=f(cscx)d(cscx)\int f(\csc x)\csc x\cot xdx=\int f(\csc x)d(\csc x)
  • f(arcsinx)1x2dx=f(arcsinx)d(arcsinx)\int\frac{f(\arcsin x)}{\sqrt{1-x^2}}dx=\int f(\arcsin x)d(\arcsin x)
  • f(arccosx)1x2dx=f(arccosx)d(arccosx)\int\frac{f(\arccos x)}{\sqrt{1-x^2}}dx=-\int f(\arccos x)d(\arccos x)
  • f(arctanx)1+x2=f(arctanx)d(arctanx)\int\frac{f(\arctan x)}{1+x^2}=\int f(\arctan x)d(\arctan x)
  • f(arccotx)1+x2=f(arccotx)d(arccotx)\int\frac{f(arccot x)}{1+x^2}=-\int f(arccot x)d(arccot x)

有理函数的不定积分法

设有理函数 R(x)=P(x)Q(x)R(x)=\frac{P(x)}{Q(x)},其中 P(x),Q(x)P(x),Q(x) 分别是 n,mn,m 次多项式。若 n<mn<m,则称 R(x)R(x) 为真分式。若 nmn\ge m,则 R(x)R(x) 可分解为多项式与真分式的和。其中,真分式能分解为以下四种最简分式的和:

Axa,A(xa)k,bx+Dx2+px+q,Bx+D(x2+px+q)kk=2,3,,p24q<0\frac A{x-a},\frac A{(x-a)^k},\frac{bx+D}{x^2+px+q},\frac{Bx+D}{(x^2+px+q)^k}\quad k=2,3,\cdots,p^2-4q<0

其中 A,B,DA,B,D 的值可以利用待定系数法求解。例如

2x2x1(x+1)(x3+1)=2x2x1(x+1)2(x2x+1)=Ax+1+B(x+1)2+Cx+Dx2x+1\begin{aligned} \frac{2x^2-x-1}{(x+1)(x^3+1)} =& \frac{2x^2-x-1}{(x+1)^2(x^2-x+1)} \\ =& \frac A{x+1}+\frac B{(x+1)^2}+\frac{Cx+D}{x^2-x+1} \end{aligned}

之后由

A(x+1)2+A(x2x+1)+B(x+1)+B(x2x+1)+(Cx+D)(x+1)+(Cx+D)(x+1)2=(A+C)x3+(B+2C+D)x2+(C+2DB)x+(A+B+D)\begin{aligned} & A(x+1)^2+A(x^2-x+1)+B(x+1)+ \\ & B(x^2-x+1)+(Cx+D)(x+1)+(Cx+D)(x+1)^2 \\ =& (A+C)x^3+(B+2C+D)x^2+(C+2D-B)x+(A+B+D) \end{aligned}

可解出每个字母所对应的值。

对于前两种最简分式,可直接得到

Axadx=Alnxa+CA(xa)kdx=A(k1)(xa)k1+C\begin{aligned} \int \frac{A}{x-a}dx =& A\ln|x-a|+C \\ \int \frac{A}{(x-a)^k}dx =& -\frac{A}{(k-1)(x-a)^{k-1}}+C \\ \end{aligned}

对于后两种最简分式,可以使用凑微分法,如

x23x2x+1dx=12(2x1)13x2x+1dx=12(x2x+1)x2x+1dx161x2x+1dx=12d(x2x+1)x2x+1161(x12)2+(32)2dx=12ln(x2x+1)133arctan2x13+C\begin{aligned} \int\frac{x-\frac23}{x^2-x+1}dx =& \frac12\int\frac{(2x-1)-\frac13}{x^2-x+1}dx \\ =& \frac12\int\frac{(x^2-x+1)'}{x^2-x+1}dx-\frac16\int\frac1{x^2-x+1}dx \\ =& \frac12\int\frac{d(x^2-x+1)}{x^2-x+1}-\frac16\int\frac1{(x-\frac12)^2+(\frac{\sqrt3}2)^2}dx \\ =& \frac12\ln(x^2-x+1)-\frac1{3\sqrt3}\arctan\frac{2x-1}{\sqrt3}+C \end{aligned}

最后出现的不定积分可以使用分部积分法计算。这里直接给出后两种的不定积分的公式

bx+Dx2+px+q=B2ln(x2+px+q)+1a(DpB2)arctanta+CBx+D(x2+px+q)k=B2(1k)(x2+px+q)k1+(DpB2)dt(t2+a2)k\begin{aligned} \int\frac{bx+D}{x^2+px+q} =&\frac B2\ln(x^2+px+q)+\frac1a(D-\frac{pB}2)\arctan\frac ta+C \\ \int \frac{Bx+D}{(x^2+px+q)^k} =& \frac B{2(1-k)(x^2+px+q)^{k-1}}+(D-\frac{pB}2)\int\frac{dt}{(t^2+a^2)^k} \end{aligned}

其中,t=x+p2,a=qp24t=x+\frac p2,a=\sqrt{q-\frac{p^2}4}

三角函数有理式的不定积分法

一般来说,当 R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx)R(\sin x,-\cos x)=-R(\sin x,\cos x) 时,可令 u=sinxu=\sin x。当 R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx)R(-\sin x,\cos x)=-R(\sin x,\cos x) 时,可令 u=cosxu=\cos x。当 R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx)R(-\sin x,-\cos x)=-R(\sin x,\cos x) 时,可令 u=tanxu=\tan x

第二类换元法:设 f(x)f(x) 是连续函数,x=φ(t)x=\varphi(t) 有连续导数,φ(t)0\varphi'(t)\ne0,则

f(x)dx=f(φ(t))φ(t)dt=g(t)dtt=φ1(x)\int f(x)dx=\int f(\varphi(t))\varphi'(t)dt=\int g(t)dt \bigg|_{t=\varphi^{-1}(x)}

三角代换:若被积函数中含有 a2x2,a2+x2,x2a2\sqrt{a^2-x^2},\sqrt{a^2+x^2},\sqrt{x^2-a^2},常使用 x=asint,x=atant,x=asectx=a\sin t,x=a\tan t,x=a\sec t 来去除根号。

分部积分法:设 u=u(x),v=v(x)u=u(x),v=v(x) 都有连续导数,则

uvdx=uvvudx\int uv'dx=uv-\int vu'dx

定积分

定积分的定义

定义:设函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a,b] 上有定义,任取 [a,b][a,b] 的一个分割 Δ\Delta

a=x0<x1<<xn1<xn=ba=x_0<x_1<\cdots<x_{n-1}<x_n=b

记小区间 [xi1,xi][x_{i-1},x_i] 的长度为 Δxi=xixi1\Delta x_i=x_i-x_{i-1},分割 Δ\Delta 的模为 λ(Δ)=max1in{Δxi}\lambda(\Delta)=\max\limits_{1\le i\le n}\{\Delta x_i\}。在每个小区间上任取一点 ξi[xi1,xi]\xi_i\in[x_{i-1},x_i],作积分和(Riemann 和):

i=1nf(ξi)Δxi\sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i

如果当 λ(Δ)0\lambda(\Delta)\to0 时,不论分割 Δ\Delta 如何选取,也不论 ξi\xi_i 如何选取,积分和都有同一极限值 II,则称函数 f(x)f(x)[a,b][a,b]可积,极限值 II 称为 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的定积分,记作

abf(x)dx=limλ(Δ)0i=1nf(ξi)Δxi\int_a^b f(x)dx=\lim_{\lambda(\Delta)\to0}\sum_{i=1}^n f(\xi_i)\Delta x_i

其中 aa 为积分下限,bb 为积分上限,[a,b][a,b] 为积分区间。当 a=ba=b 时,规定 aaf(x)dx=0\int_a^a f(x)dx=0。当 a>ba>b 时,规定 abf(x)dx=baf(x)dx\int_a^b f(x)dx=-\int_b^a f(x)dx

可积的条件:若 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积。若 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上只有有限个第一类间断点,则 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积。

定积分的几何意义

f(x)0f(x)\ge0,则 abf(x)dx\int_a^b f(x)dx 表示由曲线 y=f(x)y=f(x)、直线 x=a,x=bx=a,x=bxx 轴所围成的曲边梯形的面积。若 f(x)0f(x)\le0,则定积分为负值,其绝对值等于对应的曲边梯形面积。一般地,定积分等于 xx 轴上方面积与下方面积之差。

定积分的性质

线性性:若 f(x),g(x)f(x),g(x)[a,b][a,b] 上可积,k1,k2k_1,k_2 为任意常数,则

ab[k1f(x)+k2g(x)]dx=k1abf(x)dx+k2abg(x)dx\int_a^b [k_1f(x)+k_2g(x)]dx=k_1\int_a^b f(x)dx+k_2\int_a^b g(x)dx

区间可加性:设 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积,则对任意 c(a,b)c\in(a,b),有

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

单调性(保号性):若在 [a,b][a,b]f(x)0f(x)\ge0,则 abf(x)dx0\int_a^b f(x)dx\ge0。若在 [a,b][a,b]f(x)g(x)f(x)\le g(x),则 abf(x)dxabg(x)dx\int_a^b f(x)dx\le\int_a^b g(x)dx

估值定理:设 M,mM,m 分别为 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的最大值和最小值,则

m(ba)abf(x)dxM(ba)m(b-a)\le\int_a^b f(x)dx\le M(b-a)

积分中值定理:若 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,则至少存在一点 ξ[a,b]\xi\in[a,b],使得

abf(x)dx=f(ξ)(ba)\int_a^b f(x)dx=f(\xi)(b-a)

其中 f(ξ)f(\xi) 称为 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的积分平均值。用几何语言说,连续曲线在 [a,b][a,b] 上围成的曲边梯形的面积等于以区间长度为底、某点函数值为高的矩形面积。

上述性质对 a>ba>b 也成立,只需注意上下限顺序。

微积分基本定理

定义(变上限积分函数):设 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积,则对任意 x[a,b]x\in[a,b],定义

Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x)=\int_a^x f(t)dt

Φ(x)\Phi(x)f(x)f(x)[a,b][a,b] 上的变上限积分函数。

原函数存在定理:若 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,则变上限积分函数 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x)=\int_a^x f(t)dt[a,b][a,b] 上可导,且

Φ(x)=ddxaxf(t)dt=f(x)(axb)\Phi'(x)=\frac{d}{dx}\int_a^x f(t)dt=f(x)\quad(a\le x\le b)

这说明连续函数一定有原函数,并且变上限积分就是 f(x)f(x) 的一个原函数。这一结论直接打通了不定积分和定积分之间的桥梁。

一般地,若上限是 xx 的函数 φ(x)\varphi(x),则

ddxaφ(x)f(t)dt=f(φ(x))φ(x)\frac{d}{dx}\int_a^{\varphi(x)}f(t)dt=f(\varphi(x))\varphi'(x)

若上下限都是 xx 的函数,则

ddxψ(x)φ(x)f(t)dt=f(φ(x))φ(x)f(ψ(x))ψ(x)\frac{d}{dx}\int_{\psi(x)}^{\varphi(x)}f(t)dt=f(\varphi(x))\varphi'(x)-f(\psi(x))\psi'(x)

Newton-Leibniz 公式(微积分基本公式):设 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,F(x)F(x)f(x)f(x) 的任意一个原函数,则

abf(x)dx=F(b)F(a)\int_a^b f(x)dx=F(b)-F(a)

记作 F(x)abF(x)\big|_a^b。这个公式把定积分的计算转化为了求原函数的问题——找到原函数后直接代入上下限做差即可,也是我们日常算定积分的基本方式。

定积分的换元积分法

定理:设 f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,x=φ(t)x=\varphi(t) 满足:

  • φ(α)=a,φ(β)=b\varphi(\alpha)=a,\varphi(\beta)=b,并且当 tt[α,β][\alpha,\beta](或 [β,α][\beta,\alpha])上变化时,φ(t)\varphi(t) 的值在 [a,b][a,b] 上变化;
  • φ(t)\varphi(t)[α,β][\alpha,\beta](或 [β,α][\beta,\alpha])上有连续导数,

abf(x)dx=αβf(φ(t))φ(t)dt\int_a^b f(x)dx=\int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi'(t)dt

和不定积分的第二类换元法相比,定积分换元时不需要将变量换回 xx,因为上下限也跟着变换了,算完直接代入新变量对应的限就行。但要注意换元时必须同时更换积分限,而且当 φ(t)\varphi'(t) 在某处变号时,需要分段处理。

还有一些实用的简化技巧:若 f(x)f(x) 在对称区间 [a,a][-a,a] 上连续,则

aaf(x)dx={0,f(x) 为奇函数20af(x)dx,f(x) 为偶函数\int_{-a}^a f(x)dx=\begin{cases} 0,&f(x)\text{ 为奇函数}\\ 2\int_0^a f(x)dx,&f(x)\text{ 为偶函数} \end{cases}

f(x)f(x) 是周期为 TT 的连续函数,则 aa+Tf(x)dx=0Tf(x)dx\int_a^{a+T}f(x)dx=\int_0^T f(x)dx,即积分值与起点无关。

定积分的分部积分法

u(x),v(x)u(x),v(x)[a,b][a,b] 上有连续导数,则

abuvdx=uvababvudx\int_a^b uv'dx=uv\bigg|_a^b-\int_a^b vu'dx

或写作

abudv=uvababvdu\int_a^b udv=uv\bigg|_a^b-\int_a^b vdu

和不定期积分类似,选 uudvdv 的策略也是一样的——按照”反对幂指三”的优先顺序选 uu,剩下的作为 dvdv。公式里的 uvabuv\big|_a^b 表示先在原函数层面完成乘积,再代入上下限做差。

反常积分

无穷限反常积分

定义:设 f(x)f(x)[a,+)[a,+\infty) 上连续,若极限

limb+abf(x)dx\lim_{b\to+\infty}\int_a^b f(x)dx

存在,则称反常积分 a+f(x)dx\int_a^{+\infty}f(x)dx 收敛,并定义其值为该极限值。若极限不存在,则称该反常积分发散

类似地可定义 bf(x)dx\int_{-\infty}^b f(x)dx+f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)dx。对于后者,需要两个无穷限各自收敛才算整体收敛:

+f(x)dx=cf(x)dx+c+f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)dx=\int_{-\infty}^c f(x)dx+\int_c^{+\infty}f(x)dx

常用的无穷限反常积分结果:1+dxxp\int_1^{+\infty}\frac{dx}{x^p}p>1p>1 时收敛于 1p1\frac1{p-1},当 p1p\le1 时发散。

无界函数反常积分(瑕积分)

定义:设 f(x)f(x)(a,b](a,b] 上连续,且 limxa+f(x)=\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=\infty(称 x=ax=a瑕点),若极限

limε0+a+εbf(x)dx\lim_{\varepsilon\to0^+}\int_{a+\varepsilon}^b f(x)dx

存在,则称瑕积分 abf(x)dx\int_a^b f(x)dx 收敛,否则发散。

若瑕点在区间内部,则将积分拆分为两段分别判断。常用的瑕积分结果:01dxxp\int_0^1\frac{dx}{x^p}p<1p<1 时收敛于 11p\frac1{1-p},当 p1p\ge1 时发散。

Γ\Gamma 函数

定义Γ\Gamma 函数由含参变量 ss 的反常积分定义:

Γ(s)=0+xs1exdx(s>0)\Gamma(s)=\int_0^{+\infty}x^{s-1}e^{-x}dx\quad(s>0)

Γ\Gamma 函数在 s>0s>0 时收敛,且具有以下性质:

  • 递推公式Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1)=s\Gamma(s)
  • 特殊值Γ(1)=1\Gamma(1)=1Γ(12)=π\Gamma(\frac12)=\sqrt\pi
  • 阶乘推广:当 ss 为正整数 nn 时,Γ(n)=(n1)!\Gamma(n)=(n-1)!

利用换元 x=u2x=u^2Γ\Gamma 函数还能联系上 Gaussian 积分:

0+eu2du=π2\int_0^{+\infty}e^{-u^2}du=\frac{\sqrt\pi}2

定积分的应用

微元法

定积分的应用大多遵循”微元法”的思路:把要求的总量 QQ 想象成分布在区间 [a,b][a,b] 上的连续量,对任意小区间 [x,x+dx][x,x+dx],先求出其局部近似值 dQ=f(x)dxdQ=f(x)dx(微元),然后在 [a,b][a,b] 上积分:

Q=abdQ=abf(x)dxQ=\int_a^b dQ=\int_a^b f(x)dx

这种”以直代曲、积零为整”的策略贯穿了所有几何和物理应用场景。

平面图形的面积

直角坐标系:由曲线 y=f(x),y=g(x)y=f(x),y=g(x)x=a,x=bx=a,x=b 围成的平面图形面积,取微元为窄矩形条,其高为 f(x)g(x)|f(x)-g(x)|,宽为 dxdx

A=abf(x)g(x)dxA=\int_a^b|f(x)-g(x)|dx

f(x)g(x)f(x)\ge g(x)[a,b][a,b] 上恒成立,绝对值可去掉。当曲线以 xx 为因变量时(即 x=φ(y)x=\varphi(y)),公式对称为

A=cdφ(y)ψ(y)dyA=\int_c^d|\varphi(y)-\psi(y)|dy

极坐标系:由曲线 r=r(θ)r=r(\theta) 及射线 θ=α,θ=β\theta=\alpha,\theta=\beta 围成的曲边扇形面积,以扇形面积 12r2dθ\frac12r^2d\theta 为微元:

A=12αβr2(θ)dθA=\frac12\int_\alpha^\beta r^2(\theta)d\theta

若图形由两条极坐标曲线 r=r1(θ),r=r2(θ)r=r_1(\theta),r=r_2(\theta) 围成,则取二者扇形面积之差再积分即可。

旋转体体积

xx 轴旋转:曲线 y=f(x)y=f(x)[a,b][a,b] 上绕 xx 轴旋转一周所得旋转体,取微元为以 f(x)|f(x)| 为半径、dxdx 为厚的薄圆盘:

V=πabf2(x)dxV=\pi\int_a^b f^2(x)dx

yy 轴旋转(柱壳法):曲线 y=f(x)y=f(x)[a,b][a,b] 上绕 yy 轴旋转时,取微元为以 xx 为半径、f(x)f(x) 为高、dxdx 为厚的薄柱壳:

V=2πabxf(x)dxV=2\pi\int_a^b x|f(x)|dx

这两种思路分别对应”圆盘法”和”柱壳法”,视具体问题选起来更方便的那个。如果绕的不是坐标轴,只需要平移坐标系就行。

一般截面法:若立体在 xx 处的截面面积为 A(x)A(x),则体积为

V=abA(x)dxV=\int_a^b A(x)dx

这个思路很普适——平行截面面积函数已知的立体都能用它算体积。

曲线弧长

直角坐标:设曲线 y=f(x)y=f(x)[a,b][a,b] 上光滑(即 f(x)f'(x) 连续),取弧微分 ds=1+y2dxds=\sqrt{1+y'^2}dx,则弧长为

s=ab1+[f(x)]2dxs=\int_a^b\sqrt{1+[f'(x)]^2}dx

参数方程:设曲线 x=φ(t),y=ψ(t) (αtβ)x=\varphi(t),y=\psi(t)\ (\alpha\le t\le\beta) 光滑,则

s=αβ[φ(t)]2+[ψ(t)]2dts=\int_\alpha^\beta\sqrt{[\varphi'(t)]^2+[\psi'(t)]^2}dt

极坐标:设曲线 r=r(θ) (αθβ)r=r(\theta)\ (\alpha\le\theta\le\beta) 光滑,则

s=αβ[r(θ)]2+[r(θ)]2dθs=\int_\alpha^\beta\sqrt{[r'(\theta)]^2+[r(\theta)]^2}d\theta

旋转曲面面积

曲线 y=f(x)0y=f(x)\ge0[a,b][a,b] 上绕 xx 轴旋转一周所得旋转曲面的侧面积,取微元为圆台侧面积 2πyds2\pi yds,其中 dsds 为弧微分:

S=2πabf(x)1+[f(x)]2dxS=2\pi\int_a^b f(x)\sqrt{1+[f'(x)]^2}dx

yy 轴旋转时公式对称为 S=2πabx1+[f(x)]2dxS=2\pi\int_a^b x\sqrt{1+[f'(x)]^2}dx。同样地,参数方程和极坐标下也有对应的表达,关键是搞清楚微元中”旋转半径”是谁。

点火公式

点火公式(Wallis 公式)用于计算 sinnx\sin^n xcosnx\cos^n x[0,π2][0,\frac\pi2] 上的定积分:

In=0π2sinnxdx=0π2cosnxdxI_n=\int_0^{\frac\pi2}\sin^nxdx=\int_0^{\frac\pi2}\cos^nxdx

使用分部积分可以推出递推公式 In=n1nIn2I_n=\frac{n-1}{n}I_{n-2}。反复递推就得到点火公式:

  • nn 为偶数时:
In=n1nn3n23412π2I_n=\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2
  • nn 为奇数时:
In=n1nn3n245231I_n=\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac45\cdot\frac23\cdot1

这个名字挺有意思的——式子写成连乘后,分子分母交替递减,像一根引线一样”一路点上去”,最后看 nn 的奇偶决定是停在 π2\frac\pi2 还是 11。做题时碰到 sinnx\sin^n xcosnx\cos^n x00π2\frac\pi2 上的积分,直接套公式比用倍角公式生算快不少。

利用换元,这个公式还能推广到 [0,π][0,\pi][0,2π][0,2\pi] 上的积分:先根据对称性把区间折半处理,转化为 [0,π2][0,\frac\pi2] 上的积分,再用点火公式算结果。

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