不定积分
定义:如果在某区间 I 上,F′(x)=f(x) 或者 dF(x)=f(x)dx,那么称 F(x) 是函数 f(x) 的一个原函数。
定义:设 F(x) 是函数 f(x) 在某区间 I 上的一个原函数,则函数族 F(x)+C 表示 f(x) 在 I 上的一切原函数,称为 f(x) 的不定积分,记作
∫f(x)dx=F(x)+C
其中 x 为积分变量,f(x) 为被积函数,f(x)dx 为被积表达式,∫ 为积分符号。
不定积分有以下性质:
dxd∫f(x)dx=f(x)d(∫f(x)dx)=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。
定理:若函数 f(x) 在区间 I 上连续,则 f(x) 在 I 上存在原函数 F(x)。
基本积分公式与积分运算法则
- ∫kdx=kx+C
- ∫xαdx=α+11xα+1+C,(α=−1)
- ∫xdx=ln∣x∣+C
- ∫axdx=lnaax+C,(a>0,a=1)
- ∫exdx=ex+C
- ∫cosxdx=sinx+C
- ∫sinxdx=−cosx+C
- ∫sec2xdx=∫cos2x1dx=tanx+C
- ∫csc2xdx=∫sin2x1dx=−cotx+C
- ∫secxtanxdx=secx+C
- ∫cscxcotxdx=−cscx+C
- ∫1−x2dx=arcsinx+C
- ∫1+x2dx=arctanx+C
- ∫sinhxdx=coshx+C
- ∫coshxdx=sinhx+C
积分的线性运算法则:若函数 f(x),g(x) 的不定积分都存在,则对不全为 0 的任意常数 k1,k2,有
∫[k1f(x)+k2g(x)]dx=k1∫f(x)dx+k2∫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) 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
以下是常见的凑微分法:
- ∫2xf(x)dx=∫f(x)d(x)
- ∫x21f(x1)dx=−∫f(x1)d(x1)
- ∫f(axn+b)xn−1dx=na1∫f(axn+b)d(axn+b)
- ∫(1−x21)f(x+x1)dx=∫f(x+x1)d(x+x1)
- ∫(1+x21)f(x−x1)dx=∫f(x−x1)d(x−x1)
- ∫exf(ex)dx=∫f(ex)d(ex)
- ∫xf(lnx)dx=∫f(lnx)d(lnx)
- ∫(1+lnx)f(xlnx)dx=∫f(xlnx)d(xlnx)
- ∫f(sinx)cosxdx=∫f(sinx)d(sinx)
- ∫f(cosx)sinxdx=∫f(cosx)d(cosx)
- ∫f(tanx)sec2xdx=∫f(tanx)d(tanx)
- ∫f(cotx)csc2xdx=∫f(cotx)d(cotx)
- ∫f(secx)secxtanxdx=∫f(secx)d(secx)
- ∫f(cscx)cscxcotxdx=∫f(cscx)d(cscx)
- ∫1−x2f(arcsinx)dx=∫f(arcsinx)d(arcsinx)
- ∫1−x2f(arccosx)dx=−∫f(arccosx)d(arccosx)
- ∫1+x2f(arctanx)=∫f(arctanx)d(arctanx)
- ∫1+x2f(arccotx)=−∫f(arccotx)d(arccotx)
有理函数的不定积分法
设有理函数 R(x)=Q(x)P(x),其中 P(x),Q(x) 分别是 n,m 次多项式。若 n<m,则称 R(x) 为真分式。若 n≥m,则 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:
x−aA,(x−a)kA,x2+px+qbx+D,(x2+px+q)kBx+Dk=2,3,⋯,p2−4q<0
其中 A,B,D 的值可以利用待定系数法求解。例如
(x+1)(x3+1)2x2−x−1==(x+1)2(x2−x+1)2x2−x−1x+1A+(x+1)2B+x2−x+1Cx+D
之后由
=A(x+1)2+A(x2−x+1)+B(x+1)+B(x2−x+1)+(Cx+D)(x+1)+(Cx+D)(x+1)2(A+C)x3+(B+2C+D)x2+(C+2D−B)x+(A+B+D)
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
∫x−aAdx=∫(x−a)kAdx=Aln∣x−a∣+C−(k−1)(x−a)k−1A+C
对于后两种最简分式,可以使用凑微分法,如
∫x2−x+1x−32dx====21∫x2−x+1(2x−1)−31dx21∫x2−x+1(x2−x+1)′dx−61∫x2−x+11dx21∫x2−x+1d(x2−x+1)−61∫(x−21)2+(23)21dx21ln(x2−x+1)−331arctan32x−1+C
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
∫x2+px+qbx+D=∫(x2+px+q)kBx+D=2Bln(x2+px+q)+a1(D−2pB)arctanat+C2(1−k)(x2+px+q)k−1B+(D−2pB)∫(t2+a2)kdt
其中,t=x+2p,a=q−4p2。
三角函数有理式的不定积分法
一般来说,当 R(sinx,−cosx)=−R(sinx,cosx) 时,可令 u=sinx。当 R(−sinx,cosx)=−R(sinx,cosx) 时,可令 u=cosx。当 R(−sinx,−cosx)=−R(sinx,cosx) 时,可令 u=tanx。
第二类换元法:设 f(x) 是连续函数,x=φ(t) 有连续导数,φ′(t)=0,则
∫f(x)dx=∫f(φ(t))φ′(t)dt=∫g(t)dtt=φ−1(x)
三角代换:若被积函数中含有 a2−x2,a2+x2,x2−a2,常使用 x=asint,x=atant,x=asect 来去除根号。
分部积分法:设 u=u(x),v=v(x) 都有连续导数,则
∫uv′dx=uv−∫vu′dx
定积分
定积分的定义
定义:设函数 f(x) 在闭区间 [a,b] 上有定义,任取 [a,b] 的一个分割 Δ:
a=x0<x1<⋯<xn−1<xn=b
记小区间 [xi−1,xi] 的长度为 Δxi=xi−xi−1,分割 Δ 的模为 λ(Δ)=1≤i≤nmax{Δxi}。在每个小区间上任取一点 ξi∈[xi−1,xi],作积分和(Riemann 和):
i=1∑nf(ξi)Δxi
如果当 λ(Δ)→0 时,不论分割 Δ 如何选取,也不论 ξi 如何选取,积分和都有同一极限值 I,则称函数 f(x) 在 [a,b] 上可积,极限值 I 称为 f(x) 在 [a,b] 上的定积分,记作
∫abf(x)dx=λ(Δ)→0limi=1∑nf(ξi)Δxi
其中 a 为积分下限,b 为积分上限,[a,b] 为积分区间。当 a=b 时,规定 ∫aaf(x)dx=0。当 a>b 时,规定 ∫abf(x)dx=−∫baf(x)dx。
可积的条件:若 f(x) 在 [a,b] 上连续,则 f(x) 在 [a,b] 上可积。若 f(x) 在 [a,b] 上只有有限个第一类间断点,则 f(x) 在 [a,b] 上可积。
定积分的几何意义
若 f(x)≥0,则 ∫abf(x)dx 表示由曲线 y=f(x)、直线 x=a,x=b 及 x 轴所围成的曲边梯形的面积。若 f(x)≤0,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 x 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) 在 [a,b] 上可积,k1,k2 为任意常数,则
∫ab[k1f(x)+k2g(x)]dx=k1∫abf(x)dx+k2∫abg(x)dx
区间可加性:设 f(x) 在 [a,b] 上可积,则对任意 c∈(a,b),有
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
单调性(保号性):若在 [a,b] 上 f(x)≥0,则 ∫abf(x)dx≥0。若在 [a,b] 上 f(x)≤g(x),则 ∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx。
估值定理:设 M,m 分别为 f(x) 在 [a,b] 上的最大值和最小值,则
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a)
积分中值定理:若 f(x) 在 [a,b] 上连续,则至少存在一点 ξ∈[a,b],使得
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
其中 f(ξ) 称为 f(x) 在 [a,b] 上的积分平均值。用几何语言说,连续曲线在 [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>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) 在 [a,b] 上可积,则对任意 x∈[a,b],定义
Φ(x)=∫axf(t)dt
称 Φ(x) 为 f(x) 在 [a,b] 上的变上限积分函数。
原函数存在定理:若 f(x) 在 [a,b] 上连续,则变上限积分函数 Φ(x)=∫axf(t)dt 在 [a,b] 上可导,且
Φ′(x)=dxd∫axf(t)dt=f(x)(a≤x≤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) 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 x 的函数 φ(x),则
dxd∫aφ(x)f(t)dt=f(φ(x))φ′(x)
若上下限都是 x 的函数,则
dxd∫ψ(x)φ(x)f(t)dt=f(φ(x))φ′(x)−f(ψ(x))ψ′(x)
Newton-Leibniz 公式(微积分基本公式):设 f(x) 在 [a,b] 上连续,F(x) 是 f(x) 的任意一个原函数,则
∫abf(x)dx=F(b)−F(a)
记作 F(x)ab。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) 在 [a,b] 上连续,x=φ(t) 满足:
- φ(α)=a,φ(β)=b,并且当 t 在 [α,β](或 [β,α])上变化时,φ(t) 的值在 [a,b] 上变化;
- φ(t) 在 [α,β](或 [β,α])上有连续导数,
则
∫abf(x)dx=∫αβf(φ(t))φ′(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 x,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) 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) 在对称区间 [−a,a] 上连续,则
∫−aaf(x)dx={0,2∫0af(x)dx,f(x) 为奇函数f(x) 为偶函数
若 f(x) 是周期为 T 的连续函数,则 ∫aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx,即积分值与起点无关。
定积分的分部积分法
设 u(x),v(x) 在 [a,b] 上有连续导数,则
∫abuv′dx=uvab−∫abvu′dx
或写作
∫abudv=uvab−∫abvdu
和不定期积分类似,选 u 和 dv 的策略也是一样的——按照”反对幂指三”的优先顺序选 u,剩下的作为 dv。公式里的 uvab 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) 在 [a,+∞) 上连续,若极限
b→+∞lim∫abf(x)dx
存在,则称反常积分 ∫a+∞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 和 ∫−∞+∞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
常用的无穷限反常积分结果:∫1+∞xpdx 当 p>1 时收敛于 p−11,当 p≤1 时发散。
无界函数反常积分(瑕积分)
定义:设 f(x) 在 (a,b] 上连续,且 x→a+limf(x)=∞(称 x=a 为瑕点),若极限
ε→0+lim∫a+εbf(x)dx
存在,则称瑕积分 ∫abf(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:∫01xpdx 当 p<1 时收敛于 1−p1,当 p≥1 时发散。
Γ 函数
定义:Γ 函数由含参变量 s 的反常积分定义:
Γ(s)=∫0+∞xs−1e−xdx(s>0)
Γ 函数在 s>0 时收敛,且具有以下性质:
- 递推公式:Γ(s+1)=sΓ(s)
- 特殊值:Γ(1)=1,Γ(21)=π
- 阶乘推广:当 s 为正整数 n 时,Γ(n)=(n−1)!
利用换元 x=u2,Γ 函数还能联系上 Gaussian 积分:
∫0+∞e−u2du=2π
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 Q 想象成分布在区间 [a,b] 上的连续量,对任意小区间 [x,x+dx],先求出其局部近似值 dQ=f(x)dx(微元),然后在 [a,b] 上积分:
Q=∫abdQ=∫abf(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) 及 x=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)∣,宽为 dx:
A=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx
若 f(x)≥g(x) 在 [a,b] 上恒成立,绝对值可去掉。当曲线以 x 为因变量时(即 x=φ(y)),公式对称为
A=∫cd∣φ(y)−ψ(y)∣dy
极坐标系:由曲线 r=r(θ) 及射线 θ=α,θ=β 围成的曲边扇形面积,以扇形面积 21r2dθ 为微元:
A=21∫αβr2(θ)dθ
若图形由两条极坐标曲线 r=r1(θ),r=r2(θ) 围成,则取二者扇形面积之差再积分即可。
旋转体体积
绕 x 轴旋转:曲线 y=f(x) 在 [a,b] 上绕 x 轴旋转一周所得旋转体,取微元为以 ∣f(x)∣ 为半径、dx 为厚的薄圆盘:
V=π∫abf2(x)dx
绕 y 轴旋转(柱壳法):曲线 y=f(x) 在 [a,b] 上绕 y 轴旋转时,取微元为以 x 为半径、f(x) 为高、dx 为厚的薄柱壳:
V=2π∫abx∣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 x 处的截面面积为 A(x),则体积为
V=∫abA(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) 在 [a,b] 上光滑(即 f′(x) 连续),取弧微分 ds=1+y′2dx,则弧长为
s=∫ab1+[f′(x)]2dx
参数方程:设曲线 x=φ(t),y=ψ(t) (α≤t≤β) 光滑,则
s=∫αβ[φ′(t)]2+[ψ′(t)]2dt
极坐标:设曲线 r=r(θ) (α≤θ≤β) 光滑,则
s=∫αβ[r′(θ)]2+[r(θ)]2dθ
旋转曲面面积
曲线 y=f(x)≥0 在 [a,b] 上绕 x 轴旋转一周所得旋转曲面的侧面积,取微元为圆台侧面积 2πyds,其中 ds 为弧微分:
S=2π∫abf(x)1+[f′(x)]2dx
绕 y 轴旋转时公式对称为 S=2π∫abx1+[f′(x)]2dx。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 和 cosnx 在 [0,2π] 上的定积分:
In=∫02πsinnxdx=∫02πcosnxdx
使用分部积分可以推出递推公式 In=nn−1In−2。反复递推就得到点火公式:
In=nn−1⋅n−2n−3⋯43⋅21⋅2π
In=nn−1⋅n−2n−3⋯54⋅32⋅1
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 n 的奇偶决定是停在 2π 还是 1。做题时碰到 sinnx 或 cosnx 在 0 到 2π 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] 和 [0,2π] 上的积分:先根据对称性把区间折半处理,转化为 [0,2π] 上的积分,再用点火公式算结果。