菩提本无树,明镜亦非台。
惜数学分析学完就忘,叹积分大典架上吃灰。故作此篇《重修指南》,以唤醒灵魂之热爱,并提升积分之水平也。
# 说明
对于积分的定义,我们简单地认作导数的逆运算。而有关积分可积性的证明,也不作为此篇笔记的关注点。本篇笔记。仅仅是关注基本的定积分和不定积分在计算上的方法。
# 基础积分公式
首先,我们简单列举几个基础的积分公式,作为后续推导的基础。当然,在这些积分中,也有一些是可以经过其中的某几个推导出来的。我在这些积分式后面标了星号,这些式子可能作为后面的例子出现。不过,将这些积分熟练记住,是快速计算一般的积分式的基础。
基础积分公式
∫xαdx=α+1xα+1+C,α=−1intx1dx=ln∣x∣+C
∫exdx=ex+C∫axdx=lnaax+C,a>0,a=1
∫sinxdx=−cosx+C∫cosxdx=sinx+C∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C∫cotxdx=ln∣sinx∣+C∫sec2xdx=tanx+C∫csc2xdx=cotx+C
∫1−x2dx=arcsinx+C∫a2−x2dx=arcsinax+C
∫1+x2dx=ln(x+x2+1)+C∫a2+x2dx=ln(x+x2+a2)+C
∫1+x2dx=arctanx+C∫a2+x2dx=a1arctanax+C
∫a2−x2dx=2a1ln∣∣∣∣∣a−xa+x∣∣∣∣∣+C∫x2−a2dx=2a1ln∣∣∣∣∣x+ax−a∣∣∣∣∣+C
∫a2−x2dx=21(xa2−x2+a2arcsinax)
∫x2+a2dx=21(xx2+a2+a2ln(x+x2+a2))+C
# 基本积分方法
# 第一换元法
第一换元法,又称凑微分法或直接代换法。指若 ∫f(u)du=F(u)+C, 且 u=u(x) 可微,则
∫f(u(x))u′(x)dx=F(u(x))+C
它实际上是把 dx 配凑 u′(x), 得到 du 从而简化被积函数的形式。
下面我们来举几个例子。
例题 1 求
∫eλxdx
其中 λ=0.
解:
∫eλxdx=λ1∫eλxd(λx)=λ1eλx+C
例题 2 求
∫tanxdx
解:
∫tanxdx=∫cosxsinxdx=∫cosxdcosx=lncosx+C
一般地,对于三角函数的有理式积分,总是可积的。积分的具体方法在下面有理函数的积分中进行介绍。
例题 3 求
∫x4+xdx
解
∫x4+xdx=31∫x6+x33x2dx=31∫t2+tdt=31ln∣∣∣∣∣t+1t∣∣∣∣∣+C=31ln∣∣∣∣∣x3+1x3∣∣∣∣∣+C
# 第二换元法
第二换元法又称代入换元法或逆代换法。指若 x=x(t) 可微且存在反函数 t=t(x), 又若 ∫f(x(t))x′(t)dx=F(t)+C, 则
∫f(x)dx=F(t(x))+C
# 分部积分法
根据 d(uv)=udv+vdu, 有 udv=d(uv)−vdu, 从而将 ∫udv 转换成 ∫vdu 的计算。
例题 求
∫xexdx
解
∫xexdx=xex−∫exdx+C=(x−1)ex+C
在此处,我们将xex 的积分转化为ex 的积分。类似地,对于指数函数与多项式相乘的形式,每一次分部积分可以进行一次降次。从而类似的积分都可以计算。
# 一般函数的可积性与积分方式
# 有理分式的积分
# 三角函数有理分式的积分
可以通过基本的代换进行计算。关于具体的代换方式,我们可以将三角函数的有理式表示为关于sinx 和cosx 的二元函数R(sinx,cosx), 再分成以下三种情况讨论:
若R(−sinx,cosx)=−R(sinx,cosx), 则令t=cosx;
若R(sinx,−cosx)=−R(sinx,cosx), 则令t=sinx;
若R(−sinx,−cosx)=R(sinx,cosx), 则令t=tanx。
此时,可以转化为有理函数的积分。
# 略具技巧性的积分方法
# 观察法
观察法实际上是积分求解最基本、最快速的方法,意为通过观察直接寻找到对应函数的原函数。方法的强大程度和使用范围完全取决于观察者的能力🙃。下面,我们列举几个简单的题目,并简单说说猜测的方法。
例求∫x2exdx.
解根据(f(x)ex)′=(f(x)+f′(x))ex, 我们容易看出degf(x)=2, 于是可以猜出f(x)=x2−2x+2.
例
# 配凑法
# 欧拉变换
# 第一类欧拉变换