定积分换元法

定理

∫ a b \int_a^b ab f(x) dx = ∫ c d \int_c^d cdf [g(t)] g’(t) dt

引入换元函数,上下限也要跟着换

结论

1.f(x)在[-a,a] 上连续且为偶函数,则 ∫ − a a \int_{-a}^a aa f(x) dx = 2 ∫ 0 a \int_0^a 0a f(x) dx

2.f(x)在[-a,a] 上连续且为奇函数,则 ∫ − a a \int_{-a}^a aa f(x) dx = 0

3. ∫ 0 p i / 2 \int_0^{pi/2} 0pi/2 f(sin x) dx = ∫ 0 p i / 2 \int_0^{pi/2} 0pi/2 f(cos x) dx

4. ∫ 0 p i \int_0^{pi} 0pi x f(sin x) dx = (pi/2) ∫ 0 p i \int_0^{pi} 0pi f(sin x) dx

### 定积分元法上下限变化规则 在定积分的计算过程中,当采用元法时,变量替不仅会影响被积函数的形式,还会改变积分区间的上下限。以下是关于定积分元法中上下限变化的具体规则: #### 基本原理 如果通过代 \( u = g(x) \),使得原来的积分区间从 \( x \in [a, b] \) 转变为新变量 \( u \) 的范围,则需要重新确定对应的积分上下限。具体来说,对于给定的变换关系 \( u = g(x) \)[^1],可以通过将原始积分区间的端点分别代入该关系来获得新的积分上下限。 - 当 \( x = a \) 时,\( u_1 = g(a) \); - 当 \( x = b \) 时,\( u_2 = g(b) \). 因此,在完成上述转后,原定积分表达式可以写为: \[ \int_a^b f(x)\, dx = \int_{u_1}^{u_2} f(g^{-1}(u)) |g'(x)| du, \] 其中需要注意的是,这里涉及绝对值符号是因为长度总是正数[^2]。 #### 实际操作注意事项 实际应用此方法解决问题的过程中需注意以下几点事项: - **保持顺序一致性**:即使经过映射后的数值可能颠倒位置(即可能出现情况如原来是从较小到较大而变成相反),这并不影响最终结果的有效性;只需按照所得的新界限设定即可。 - **考虑单调性条件**:为了简化处理过程并确保唯一对应的关系成立,通常假设所选替代形式具有严格单增或者单减性质以便于反向解析得到确切解集。 ```python from sympy import symbols,integrate,sqrt # Define variables and function x,u=symbols('x u') expr= sqrt((9-x**2)/(x**2)) # Substitution rule defined as follows: sub_rule={x:sqrt(9-u)} du=-sqrt(u)/2 # Calculated derivative of substitution expression w.r.t 'u' new_expr=(expr.subs(sub_rule)*abs(du)).doit() integral_result=integrate(new_expr,(u,-8/3,0)) print(integral_result.evalf()) ``` 以上代码片段展示了如何利用Python库SymPy实现具体的例子中的元步骤以及相应调整上下界的操作实例演示。
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