不定积分
不定积分的性质和概念
原函数: F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x)=f(x) F′(x)=f(x)
不定积分: ∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C \int f(x)dx= F(x)+C ∫f(x)dx=F(x)+C
原函数存在定理
定理1
若 f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上连续,则 f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上一定存在原函数。
定理2
若 f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上有第一类间断点,则 f ( x ) f(x) f(x)在区间 I I I上没有原函数。有第二类间断点,可能
有原函数。
【注1】什么叫原函数,它所有点上有导数,导数要等于 f ( x ) f(x) f(x)。
【注2】连续一定存在原函数,存在原函数不一定连续。
lim x → 0 h ( x ) 不 存 在 ⇒ h ( x ) 在 x = 0 不 连 续 \lim_{x \to 0}h(x)不存在 \Rightarrow h(x)在x=0不连续 limx→0h(x)不存在⇒h(x)在x=0不连续
不定积分的性质
∫ [ f ( x ) + g ( x ) ] d x = ∫ f ( x ) d x ± ∫ g ( x ) d x ∫ k f ( x ) d x = k ∫ f ( x ) d x \int [f(x)+g(x)]dx = \int f(x)dx \pm \int g(x)dx \\[2ex] \int kf(x)dx = k \int f(x)dx ∫[f(x)+g(x)]dx=∫f(x)dx±∫g(x)dx∫kf(x)dx=k∫f(x)dx
公式
补充:
∫
tan
x
d
x
=
−
ln
∣
cos
x
∣
+
C
\int \tan x dx= -\ln|\cos x|+C
∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C
∫
cot
x
d
x
=
ln
∣
sin
x
∣
+
C
\int \cot x dx = \ln|\sin x|+C
∫cotxdx=ln∣sinx∣+C
三种主要积分法
1. 第一类换元法(凑微分法)
若 ∫ f ( u ) d u = F ( u ) + C 则 ∫ f [ φ ( x ) ] φ ′ ( x ) d x = ∫ f [ φ ( x ) ] d φ ( x ) = F [ φ ( x ) ] + C \begin{array}{l} \text { 若 } \int f({u}) \mathrm{d} {u}={F}({u})+{C} \\[2ex] \text { 则 } \int f[\varphi({x})] \varphi^{\prime}({x}) \mathrm{d} {x}=\int f[\varphi({x})] \mathrm{d} \varphi({x})=F[\varphi({x})]+{C} \end{array} 若 ∫f(u)du=F(u)+C 则 ∫f[φ(x)]φ′(x)dx=∫f[φ(x)]dφ(x)=F[φ(x)]+C
【注】常见凑微分法
2. 第二类换元法
设 x = φ ( t ) x = \varphi (t) x=φ(t)是单调的、可导的函数,并且$ \varphi’(t) \neq 0$,又
∫ f [ φ ( t ) ] φ ′ ( t ) d t = F ( t ) + C 则 ∫ f ( x ) d x = ∫ f [ φ ( t ) ] φ ′ ( t ) d t = F ( t ) + C = F [ φ − 1 ( x ) ] + C \begin{array}{l} \int f[\varphi(t)] \varphi^{\prime}(t) \mathrm{d} t=F(t)+C \\[2ex] \text { 则 } \int f(x) \mathrm{d} x=\int f[\varphi(t)] \varphi^{\prime}(t) \mathrm{d} t=F(t)+C=F\left[\varphi^{-1}(x)\right]+C \end{array} ∫f[φ(t)]φ′(t)dt=F(t)+C 则 ∫f(x)dx=∫f[φ(t)]φ′(t)dt=F(t)+C=F[φ−1(x)]+C
a 2 − x 2 , x = a sin t ( a cos t ) \sqrt{a^2 - x^2}, x = a \sin t(a \cos t) a2−x2,x=asint(acost)
a 2 + x 2 , x = a tan t \sqrt{a^2 + x^2}, x = a \tan t a2+x2,x=atant
x 2 − a 2 , x = a sec t \sqrt{x^2 - a^2}, x = a \sec t x2−a2,x=asect
3. 分部积分法
∫ u d v = u v − ∫ v d u \int u dv = uv - \int vdu ∫udv=uv−∫vdu
【注1】适用两类不同函数相乘
【注2】积不出的积分
∫ e x 2 d x \int e^{x^2}dx ∫ex2dx
∫ sin x x d x \int {\sin x \over x}dx ∫xsinxdx
∫ cos x x d x \int {\cos x \over x}dx ∫xcosxdx
积不出并不代表没有原函数,是它的原函数不是初等函数,无法用初等函数来表示。
三类常见可积函数积分
1. 有理函数积分 ∫ R ( x ) d x \int R(x)dx ∫R(x)dx
(1)一般方法(部分分式法)
(2)特殊方法(加项减项拆或凑微分降幂)※

2. 三角有理式积分 ∫ R ( sin x , cos x ) d x \int R(\sin x, \cos x)dx ∫R(sinx,cosx)dx
(1)一般方法(万能代换)
令 tan x 2 = t \tan {x \over 2}=t tan2x=t
则
sin
x
=
2
t
1
+
t
2
,
cos
x
=
1
−
t
2
1
+
t
2
,
d
x
=
2
1
+
t
2
d
t
\sin x = {2t \over 1+t^2}, \cos x = {1-t^2 \over 1+t^2},dx={2 \over 1+t^2}dt
sinx=1+t22t,cosx=1+t21−t2,dx=1+t22dt
∫
R
(
sin
x
,
cos
x
)
d
x
=
∫
R
(
2
t
1
+
t
2
,
1
−
t
2
1
+
t
2
)
⋅
2
1
+
t
2
d
t
\int R(\sin x , \cos x)dx= \int R({2t \over 1+t^2},{1-t^2 \over 1+t^2})·{2 \over 1+t^2} dt
∫R(sinx,cosx)dx=∫R(1+t22t,1+t21−t2)⋅1+t22dt
【注】万能代换的适用原则,当三角函数幂次是一次时用万能代换比较简单。
【注】 u = cos x u = \cos x u=cosx的意思是:适合凑 d cos x d\cos x dcosx。下同。
3. 简单无理函数积分 ∫ R ( x , a x + b c x + d ) d x \int R(x, \sqrt{{ax +b \over cx+d}})dx ∫R(x,cx+dax+b)dx
令 a x + b c x + d = t \sqrt{{ax +b \over cx+d}}=t cx+dax+b=t
注意点
- 遇到根式积分,直接将根式变量代换。
知识点
-
立方和公式: a 3 + b 3 = ( a + b ) ( a 2 − a b + b 2 ) a^3+b^3 = (a+b)(a^2-ab+b^2) a3+b3=(a+b)(a2−ab+b2)
立方差公式: a 3 − b 3 = ( a − b ) ( a 2 + a b + b 2 ) a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2) a3−b3=(a−b)(a2+ab+b2)