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第四章 不定积分

· 3 min

4.1 不定积分的概念与性质#

4.1.1 原函数的定义#

定义:若 F(x)=f(x)F'(x) = f(x) 在区间 II 上成立,则称 F(x)F(x)f(x)f(x) 在该区间上的原函数。

重要性质


4.1.2 不定积分的定义#

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

其中 F(x)F(x)f(x)f(x) 的一个原函数,CC 为积分常数。


4.1.3 基本性质#

线性性质[kf1(x)±lf2(x)]dx=kf1(x)dx±lf2(x)dx\int [kf_1(x) \pm lf_2(x)]dx = k\int f_1(x)dx \pm l\int f_2(x)dx

微分与积分的关系ddxf(x)dx=f(x)\frac{d}{dx}\int f(x)dx = f(x) f(x)dx=f(x)+C\int f'(x)dx = f(x) + C


4.1.4 基本积分公式表#

0dx=Cxndx=xn+1n+1+C(n1)1xdx=lnx+Caxdx=axlna+Cexdx=ex+Csinxdx=cosx+Ccosxdx=sinx+Csec2xdx=tanx+Ccsc2xdx=cotx+C11x2dx=arcsinx+C11+x2dx=arctanx+C\begin{aligned} &\int 0 dx = C \\ &\int x^n dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C \quad (n \neq -1) \\ &\int \frac{1}{x}dx = \ln|x| + C \\ &\int a^x dx = \frac{a^x}{\ln a} + C \\ &\int e^x dx = e^x + C \\ &\int \sin x dx = -\cos x + C \\ &\int \cos x dx = \sin x + C \\ &\int \sec^2 x dx = \tan x + C \\ &\int \csc^2 x dx = -\cot x + C \\ &\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx = \arcsin x + C \\ &\int \frac{1}{1+x^2}dx = \arctan x + C \end{aligned}

4.2 换元积分法#

4.2.1 第一类换元法(凑微分法)#

基本公式f(g(x))g(x)dx=f(u)du\int f(g(x))g'(x)dx = \int f(u)du

常见的凑微分形式#

原式凑微分形式
dxdx1ad(ax+b)\frac{1}{a}d(ax+b)
xdxxdx12dx2\frac{1}{2}dx^2
x2dxx^2dx13dx3\frac{1}{3}dx^3
1xdx\frac{1}{x}dx$d\ln
exdxe^xdxdexde^x
cosxdx\cos x dxdsinxd\sin x
sinxdx\sin x dxdcosx-d\cos x
sec2xdx\sec^2 x dxdtanxd\tan x
1xdx\frac{1}{\sqrt{x}}dx2dx2d\sqrt{x}
1x2dx\frac{1}{x^2}dxd1x-d\frac{1}{x}

4.2.2 第二类换元法#

三角代换#

根式形式代换辅助三角形
a2x2\sqrt{a^2-x^2}x=asintx = a\sin t斜边为 aa,对边为 xx
a2+x2\sqrt{a^2+x^2}x=atantx = a\tan t斜边为 a2+x2\sqrt{a^2+x^2},邻边为 aa
x2a2\sqrt{x^2-a^2}x=asectx = a\sec t斜边为 xx,邻边为 aa

根式代换#

方法:令 ax+bn=t\sqrt[n]{ax+b} = t,则 x=tnbax = \frac{t^n-b}{a}dx=natn1dtdx = \frac{n}{a}t^{n-1}dt


4.3 分部积分法#

4.3.1 基本公式#

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


4.3.2 u 选择原则(LIATE原则)#

按优先级从高到低选择 uu

优先级函数类型
L对数函数
I反三角函数
A代数函数
T三角函数
E指数函数

4.3.3 循环积分#

适用情况:积分形式为 eaxsinbxdx\int e^{ax}\sin bx dxeaxcosbxdx\int e^{ax}\cos bx dx

方法:通过两次分部积分回到原积分,解方程得到结果。


4.4 有理函数的积分#

4.4.1 有理函数的标准形式#

P(x)Q(x)=anxn+an1xn1++a0bmxm+bm1xm1++b0\frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{a_n x^n + a_{n-1}x^{n-1} + \cdots + a_0}{b_m x^m + b_{m-1}x^{m-1} + \cdots + b_0}

分类


4.4.2 部分分式分解#

部分分式形式

分母因式部分分式形式
(xa)k(x-a)^kA1xa+A2(xa)2++Ak(xa)k\frac{A_1}{x-a} + \frac{A_2}{(x-a)^2} + \cdots + \frac{A_k}{(x-a)^k}
(x2+px+q)k(x^2+px+q)^k (p24q<0p^2-4q<0)B1x+C1x2+px+q+B2x+C2(x2+px+q)2+\frac{B_1x+C_1}{x^2+px+q} + \frac{B_2x+C_2}{(x^2+px+q)^2} + \cdots

4.4.3 三角有理式积分#

万能代换:令 t=tanx2t = \tan \frac{x}{2},则 sinx=2t1+t2\sin x = \frac{2t}{1+t^2}cosx=1t21+t2\cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2}dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1+t^2}dt