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第三章 积分学

考试大纲

  1. 理解原函数的概念,理解不定积分和定积分的概念
  2. 掌握不定积分的基本公式,掌握不定积分和定积分的性质
  3. 掌握定积分中值定理,掌握换元积分法与分部积分法
  4. 会求有理函数、三角函数有理式和简单无理函数的积分
  5. 理解积分上限的函数,会求它的导数
  6. 掌握牛顿-莱布尼茨公式
  7. 了解反常积分的概念,会计算反常积分
  8. 掌握用定积分表达和计算一些几何量与物理量

核心知识点

1. 不定积分的概念

如果在区间 II 上,可导函数 F(x)F(x) 的导函数为 f(x)f(x),即对任一 xIx \in I,都有:

F(x)=f(x)dF(x)=f(x)dxF'(x) = f(x) \quad \text{或} \quad dF(x) = f(x)dx

那么函数 F(x)F(x) 就称为 f(x)f(x)(或 f(x)dxf(x)dx)在区间 II 上的一个原函数

不定积分: 在区间 II 上,函数 f(x)f(x) 的带有任意常数项的原函数称为 f(x)f(x)(或 f(x)dxf(x)dx)在区间 II 上的不定积分,记作:

f(x)dx\int f(x) \, dx

其中记号 \int 称为积分号,f(x)f(x) 称为被积函数,f(x)dxf(x)dx 称为被积表达式,xx 称为积分变量。

如果 F(x)F(x)f(x)f(x) 在区间 II 上的一个原函数,那么 F(x)+CF(x) + C 就是 f(x)f(x) 的不定积分,即:

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


2. 基本积分公式

导数公式积分公式
(kx)=k(kx)' = kkdx=kx+C\int k \, dx = kx + C
(xμ+1)=(μ+1)xμ(x^{\mu+1})' = (\mu+1)x^\muxμdx=xμ+1μ+1+C\int x^\mu \, dx = \frac{x^{\mu+1}}{\mu+1} + Cμ1\mu \neq -1
$(\lnx
(ex)=ex(e^x)' = e^xexdx=ex+C\int e^x \, dx = e^x + C
(ax)=axlna(a^x)' = a^x \ln aaxdx=axlna+C\int a^x \, dx = \frac{a^x}{\ln a} + C
(sinx)=cosx(\sin x)' = \cos xcosxdx=sinx+C\int \cos x \, dx = \sin x + C
(cosx)=sinx(\cos x)' = -\sin xsinxdx=cosx+C\int \sin x \, dx = -\cos x + C
(tanx)=sec2x(\tan x)' = \sec^2 xsec2xdx=tanx+C\int \sec^2 x \, dx = \tan x + C
(cotx)=csc2x(\cot x)' = -\csc^2 xcsc2xdx=cotx+C\int \csc^2 x \, dx = -\cot x + C
(secx)=secxtanx(\sec x)' = \sec x \tan xsecxtanxdx=secx+C\int \sec x \tan x \, dx = \sec x + C
(cscx)=cscxcotx(\csc x)' = -\csc x \cot xcscxcotxdx=cscx+C\int \csc x \cot x \, dx = -\csc x + C
(arcsinx)=11x2(\arcsin x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx1x2=arcsinx+C\int \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \arcsin x + C
(arctanx)=11+x2(\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2}dx1+x2=arctanx+C\int \frac{dx}{1+x^2} = \arctan x + C

3. 换元积分法

第一类换元法(凑微分法)

f(u)f(u) 具有原函数 F(u)F(u)u=φ(x)u = \varphi(x) 可导,则有换元公式:

f[φ(x)]φ(x)dx=[f(u)du]u=φ(x)=F[φ(x)]+C\int f[\varphi(x)] \varphi'(x) \, dx = \left[ \int f(u) \, du \right]_{u = \varphi(x)} = F[\varphi(x)] + C

常用凑微分形式:

积分类型凑微分形式
f(ax+b)dx\int f(ax + b) \, dx1af(ax+b)d(ax+b)\frac{1}{a} \int f(ax + b) \, d(ax + b)
f(xn)xn1dx\int f(x^n) x^{n-1} \, dx1nf(xn)d(xn)\frac{1}{n} \int f(x^n) \, d(x^n)
f(ex)exdx\int f(e^x) e^x \, dxf(ex)d(ex)\int f(e^x) \, d(e^x)
f(lnx)dxx\int f(\ln x) \frac{dx}{x}f(lnx)d(lnx)\int f(\ln x) \, d(\ln x)
f(sinx)cosxdx\int f(\sin x) \cos x \, dxf(sinx)d(sinx)\int f(\sin x) \, d(\sin x)
f(cosx)sinxdx\int f(\cos x) \sin x \, dxf(cosx)d(cosx)-\int f(\cos x) \, d(\cos x)
f(tanx)sec2xdx\int f(\tan x) \sec^2 x \, dxf(tanx)d(tanx)\int f(\tan x) \, d(\tan x)

第二类换元法

x=ψ(t)x = \psi(t) 是单调的可导函数,并且 ψ(t)0\psi'(t) \neq 0。又设 f[ψ(t)]ψ(t)f[\psi(t)]\psi'(t) 具有原函数,则有换元公式:

f(x)dx=[f[ψ(t)]ψ(t)dt]t=ψ1(x)\int f(x) \, dx = \left[ \int f[\psi(t)] \psi'(t) \, dt \right]_{t = \psi^{-1}(x)}

常用换元:

被积函数含换元利用公式
a2x2\sqrt{a^2 - x^2}x=asintx = a \sin t1sin2t=cos2t1 - \sin^2 t = \cos^2 t
a2+x2\sqrt{a^2 + x^2}x=atantx = a \tan t1+tan2t=sec2t1 + \tan^2 t = \sec^2 t
x2a2\sqrt{x^2 - a^2}x=asectx = a \sec tsec2t1=tan2t\sec^2 t - 1 = \tan^2 t
ax+bn\sqrt[n]{ax + b}t=ax+bnt = \sqrt[n]{ax + b}去根号

4. 分部积分法

设函数 u=u(x)u = u(x)v=v(x)v = v(x) 具有连续导数,则:

uvdx=uvuvdx\int u v' \, dx = uv - \int u' v \, dx

udv=uvvdu\int u \, dv = uv - \int v \, du

选择 uudvdv 的原则:

  1. vv 要容易求得
  2. vdu\int v \, du 要比 udv\int u \, dv 容易积出

"反对幂指三"原则(选择 uu 的优先级):

  • :反三角函数
  • :对数函数
  • :幂函数
  • :指数函数
  • :三角函数

排在前面的函数优先选作 uu


5. 定积分的概念

设函数 f(x)f(x)[a,b][a, b] 上有界,在 [a,b][a, b] 中任意插入若干个分点:

a=x0<x1<x2<<xn1<xn=ba = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_{n-1} < x_n = b

把区间 [a,b][a, b] 分成 nn 个小区间 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i],长度为 Δxi=xixi1\Delta x_i = x_i - x_{i-1}

在每个小区间 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i] 上任取一点 ξi\xi_i,作乘积 f(ξi)Δxif(\xi_i) \Delta x_i,并作出和:

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

λ=max{Δx1,Δx2,,Δxn}\lambda = \max\{\Delta x_1, \Delta x_2, \cdots, \Delta x_n\},如果当 λ0\lambda \to 0 时,这和的极限总存在,且与闭区间 [a,b][a, b] 的分法及点 ξi\xi_i 的取法无关,则称这个极限 II 为函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的定积分,记作:

abf(x)dx=I=limλ0i=1nf(ξi)Δxi\int_a^b f(x) \, dx = I = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i


6. 定积分的性质

  1. 线性性质:

    ab[αf(x)+βg(x)]dx=αabf(x)dx+βabg(x)dx\int_a^b [\alpha f(x) + \beta g(x)] \, dx = \alpha \int_a^b f(x) \, dx + \beta \int_a^b g(x) \, dx

  2. 区间可加性:

    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

  3. 保号性: 如果在区间 [a,b][a, b]f(x)0f(x) \geq 0,则 abf(x)dx0\int_a^b f(x) \, dx \geq 0a<ba < b

  4. 估值定理:MMmm 分别是函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的最大值及最小值,则:

    m(ba)abf(x)dxM(ba)(a<b)m(b - a) \leq \int_a^b f(x) \, dx \leq M(b - a) \quad (a < b)

  5. 定积分中值定理: 如果函数 f(x)f(x) 在积分区间 [a,b][a, b] 上连续,则在 [a,b][a, b] 上至少存在一个点 ξ\xi,使下式成立:

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


7. 牛顿-莱布尼茨公式

如果函数 F(x)F(x) 是连续函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的一个原函数,则:

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

记作 [F(x)]ab[F(x)]_a^bF(x)abF(x) \Big|_a^b


8. 积分上限函数

设函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上连续,并且设 xx[a,b][a, b] 上的一点,考察定积分:

Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x) = \int_a^x f(t) \, dt

定理: 如果函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上连续,则积分上限的函数 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x) = \int_a^x f(t) \, dt[a,b][a, b] 上可导,并且它的导数:

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

推论:F(x)=φ(x)ψ(x)f(t)dtF(x) = \int_{\varphi(x)}^{\psi(x)} f(t) \, dt,则:

F(x)=f[ψ(x)]ψ(x)f[φ(x)]φ(x)F'(x) = f[\psi(x)] \psi'(x) - f[\varphi(x)] \varphi'(x)


典型例题

例题 1:第一类换元法

dxx(1+2lnx)\int \frac{dx}{x(1 + 2\ln x)}

解:

注意到 dxx=d(lnx)\frac{dx}{x} = d(\ln x),令 u=lnxu = \ln x,则:

dxx(1+2lnx)=d(lnx)1+2lnx=12d(1+2lnx)1+2lnx\int \frac{dx}{x(1 + 2\ln x)} = \int \frac{d(\ln x)}{1 + 2\ln x} = \frac{1}{2} \int \frac{d(1 + 2\ln x)}{1 + 2\ln x}

=12ln1+2lnx+C= \boxed{\frac{1}{2} \ln|1 + 2\ln x| + C}

例题 2:第二类换元法

dxx2+a2\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}}a>0a > 0

解:

x=atantx = a \tan tπ2<t<π2-\frac{\pi}{2} < t < \frac{\pi}{2}),则 dx=asec2tdtdx = a \sec^2 t \, dtx2+a2=asect\sqrt{x^2 + a^2} = a \sec t

dxx2+a2=asec2tasectdt=sectdt=lnsect+tant+C1\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \int \frac{a \sec^2 t}{a \sec t} \, dt = \int \sec t \, dt = \ln|\sec t + \tan t| + C_1

tant=xa\tan t = \frac{x}{a},得 sect=x2+a2a\sec t = \frac{\sqrt{x^2 + a^2}}{a},且 sect+tant>0\sec t + \tan t > 0,因此:

dxx2+a2=ln(xa+x2+a2a)+C1=ln(x+x2+a2)+C\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \ln\left(\frac{x}{a} + \frac{\sqrt{x^2 + a^2}}{a}\right) + C_1 = \boxed{\ln(x + \sqrt{x^2 + a^2}) + C}

其中 C=C1lnaC = C_1 - \ln a

例题 3:分部积分法

xarctanxdx\int x \arctan x \, dx

解:

u=arctanxu = \arctan xdv=xdxdv = x \, dx,则 du=dx1+x2du = \frac{dx}{1 + x^2}v=x22v = \frac{x^2}{2}

xarctanxdx=x22arctanxx22dx1+x2\int x \arctan x \, dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \int \frac{x^2}{2} \cdot \frac{dx}{1 + x^2}

=x22arctanx12x2+111+x2dx= \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2} \int \frac{x^2 + 1 - 1}{1 + x^2} \, dx

=x22arctanx12(111+x2)dx= \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2} \int \left(1 - \frac{1}{1 + x^2}\right) dx

=x22arctanx12(xarctanx)+C= \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2}(x - \arctan x) + C

=12(x2+1)arctanx12x+C= \boxed{\frac{1}{2}(x^2 + 1)\arctan x - \frac{1}{2}x + C}

例题 4:定积分计算

0π2sin2xdx\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^2 x \, dx

解:

利用降幂公式:sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}{2}

0π2sin2xdx=120π2(1cos2x)dx\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^2 x \, dx = \frac{1}{2} \int_0^{\frac{\pi}{2}} (1 - \cos 2x) \, dx

=12[x12sin2x]0π2=12(π20)=π4= \frac{1}{2} \left[ x - \frac{1}{2} \sin 2x \right]_0^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{2} - 0 \right) = \boxed{\frac{\pi}{4}}

例题 5:积分上限函数求导

F(x)=0x2et2dtF(x) = \int_0^{x^2} e^{t^2} \, dt,求 F(x)F'(x)

解:

由积分上限函数求导公式:

F(x)=e(x2)2(x2)=2xex4F'(x) = e^{(x^2)^2} \cdot (x^2)' = \boxed{2x e^{x^4}}


易错点提醒

常见错误

  1. 忘记加积分常数 CC

    • 错误:cosxdx=sinx\int \cos x \, dx = \sin x
    • 正确:cosxdx=sinx+C\int \cos x \, dx = \sin x + C
  2. 换元后忘记换回原变量

    • 第二类换元法结果必须换回 xx 的函数
  3. 分部积分时 uudvdv 选择不当

    • 应遵循"反对幂指三"原则选择 uu
  4. 定积分换元时忘记换限

    • 定积分换元必须同时更换积分上下限
  5. 忽略被积函数的奇偶性

    • 对称区间上的定积分,先判断奇偶性可简化计算

本章小结

  1. 理解原函数与不定积分的概念,掌握基本积分公式
  2. 熟练掌握两类换元积分法和分部积分法
  3. 理解定积分的概念和性质,掌握牛顿-莱布尼茨公式
  4. 掌握积分上限函数及其求导法则
  5. 会计算常见类型的不定积分和定积分

下一章预告: 微分方程——含有未知函数及其导数的方程

考研加油!