《斯图尔特微积分》第五章:积分读书笔记。本章从面积和距离的求和问题出发建立定积分,并通过微积分基本定理揭示微分与积分互为逆过程的核心关系。
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| 小节 | 核心问题 | 需要掌握的内容 |
|---|
| 5.1 面积与距离 | 如何用有限近似逼近连续总量? | 矩形近似、黎曼和、面积、距离 |
| 5.2 定积分 | 怎样定义连续累积量? | 定积分定义、求和公式、积分性质 |
| 5.3 微积分基本定理 | 导数与积分为什么互逆? | 变上限积分、积分求值公式 |
| 5.4 不定积分与净变化定理 | 怎样从变化率恢复总变化? | 原函数、不定积分、净变化 |
| 5.5 换元法 | 复合结构的积分怎样化简? | 不定积分换元、定积分换元、对称性 |
5.1 面积与距离
本章通过讨论面积问题与距离问题介绍微积分另一个中心思想——积分,微积分基本定理对导数和积分之间的重要关系进行了表述,即微分运算和积分运算在某种意义上是互逆的过程。
面积问题
定义|连续函数 f 的图像下方区域 S 的面积 A 是其近似矩形的面积之和的极限:
A=limn→+∞Rn=limn→+∞[f(x1)Δx+f(x2)Δx+⋯+f(xn)Δx]
利用求和符号简化公式:
A=limn→+∞∑i=1nf(xi)Δx
距离问题
已知运动物体在任何时间到出发点的距离,求物体在特定时间的速度,现在我们考虑距离问题:如果速度固定,
那么
移动距离的准确值 d 以极限表达:
d=limn→+∞∑i=1nf(ti)Δt
5.2 定积分
定积分
提示
∫abf(x)dx=limn→+∞∑i=1nf(xi∗)Δx
- 定积分的定义中极限的准确含义为:
对于任意 ε>0 ,存在正整数 N ,使得对于每个正整数数 n>N 和区间 [xi−1,xi] 内的每个样本点 xi∗ 都有
∫abf(x)dx−∑i=1nf(xi∗)Δx<ε
说明
符号 ∫ 由莱布尼茨引入,称为积分符号,它是一个拉长的 S。之所以选择这样的符号,是因为积分是和 (∑) 的极限。f(x) 称为被积函数,a 和 b 称为积分限,其中 a 为积分下限,b 为积分上限。符号 dx 指明积分变量为 x,∫abf(x)dx 是一个完整的积分表达式。
计算定积分
i=1∑n1=ni=1∑ni=2n(n+1)i=1∑ni2=6n(n+1)(2n+1)i=1∑ni3=[2n(n+1)]2
定积分的性质
∫abcdx=c(b−a) 其中 c 为任意常数。
∫ab[f(x)+g(x)]dx=∫abf(x)dx+∫abg(x)dx
∫abcf(x)dx=c∫abf(x)dx
其中 c 为任意常数。
∫ab[f(x)−g(x)]dx=∫abf(x)dx−∫abg(x)dx
提示
∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx=∫abf(x)dx
积分的比较性质:
-
如果在 [a,b] 上 f(x)⩾0,那么
∫abf(x)dx⩾0
-
如果在 [a,b] 上 f(x)⩾g(x),那么
∫abf(x)dx⩾∫abg(x)dx
-
如果在 [a,b] 上 m⩽f(x)⩽M,那么
m(b−a)⩽∫abf(x)dx⩽M(b−a)
5.3 微积分基本定理
微积分基本定理(第一部分)
- 如果 f 是 [a,b] 上的连续函数,并且定义函数 g 为
g(x)=∫axf(t)dt,a⩽x⩽b
那么 g 在 [a,b] 上连续,在 (a,b) 上可微,并且 g′(x)=f(x) 。
微积分基本定理(第二定理)
- 如果 f 在 [a,b] 上连续,那么
∫abf(x)dx=F(b)−F(a)
- 其中 F 是 f 的任意原函数,即 F′=f。
5.4 不定积分与净变化定理
不定积分
∫f(x)dx=F(x),即F′(x)=f(x)
净变化定理
∫abF′(x)dx=F(b)−F(a)
5.5 换元法
不定积分的换元
∫2x1+x2dx
- 令 u=1+x2⟹du=2xdx
∫1+x2⋅2xdx=∫udu=32u23+C
=32(1+x2)23+C
基础型
∫F′(g(x))⋅g′(x)dx=F(g(x))+C
说明
换元法
∫f(g(x))⋅g′(x)dx=∫f(u)du
提示
∫tanxdx=ln∣secx∣+C
定积分换元法
如果 g′ 在 [a,b] 上连续且 f 在 u=g(x) 的值域上连续,那么
∫abf(f(x))g′(x)dx=∫g(a)g(b)f(u)du
- 例:求
∫12(3−5x)2dxdx
- 解:
令 u=3−5x ,则 du=−5dx ,所以 dx=−51du ,当 x=1 时,u=−2 ;当 x=2 时,u=−7 ,因此
∫12(3−5x)2dxdx=−51∫−2−7u21du=−51[−u1]−2−7=141
对称性
提示
对称函数的积分:假设 f 上连续,则:
1、如果 f 是偶函数,那么
∫−aaf(x)dx=2∫0af(x)dx
2、如果 f 是奇函数,那么
∫−aaf(x)dx=0
5.5 习题
利用给定的换元求下列积分
题目 1
题目
∫cos2xdx,u=2x
解答
∫cos2xdx=21∫cosudu=21sin2x+C.
题目 2
题目
∫xe−x2dx,u=−x2
解答
∫xe−x2dx=−21∫eudu=−21e−x2+C.
题目 3
题目
∫sin2θcosθdθ,u=sinθ
解答
∫u2du=31u3+C=31sin3θ+C.
求下列不定积分
题目 4
题目
∫1+sinxcosxdx
解答
令 u=1+sinx,则 du=cosxdx,所以
∫udu=ln∣u∣+C=ln∣1+sinx∣+C.
题目 5
题目
∫(1−eu)2eudu
解答
令 t=1−eu,则 dt=−eudu,所以
−∫t−2dt=t1+C=1−eu1+C.
题目 6
题目
∫sint1+costdt
解答
令 u=1+cost,则 du=−sintdt,所以
−∫u1/2du=−32(1+cost)3/2+C.
题目 7
题目
∫3ax+bx3a+bx2dx
解答
令 u=3ax+bx3,则 du=3(a+bx2)dx,所以
31∫u−1/2du=323ax+bx3+C.
题目 8
题目
∫(x2+1)arctanx1dx
解答
令 u=arctanx,则 du=1+x2dx,所以
∫udu=ln∣arctanx∣+C.
题目 9
题目
∫1+x4xdx
解答
令 u=x2,则 du=2xdx,所以
21∫1+u2du=21arctan(x2)+C.
题目 10
题目
∫x3x2+1dx
解答
令 u=x2+1,则 x3dx=21(u−1)du,所以
∫x3x2+1dx=21∫(u−1)u1/2du=51(x2+1)5/2−31(x2+1)3/2+C.
求下列定积分
题目 11
题目
∫01(3t−1)50dt
解答
令 u=3t−1。当 t=0 时 u=−1;当 t=1 时 u=2。因此
31∫−12u50du=153251+1.
题目 12
题目
∫0131+7xdx
解答
令 u=1+7x,积分上下限变为 1 和 8:
71∫18u1/3du=2845.
题目 13
题目
∫0π/6cos2tsintdt
解答
令 u=cost,则 du=−sintdt,所以
∫13/2−u−2du=323−3.
题目 14
题目
∫011+e2xexdx
解答
令 u=ex,积分上下限变为 1 和 e:
∫1e1+u2du=arctane−4π.
题目 15
题目
设 a>0,计算
∫0axx2+a2dx.
解答
令 u=x2+a2,积分上下限变为 a2 和 2a2:
21∫a22a2u1/2du=3a3(22−1).
题目 16
题目
∫−π/3π/3x4sinxdx
解答
x4sinx 是奇函数,积分区间关于原点对称,因此
∫−π/3π/3x4sinxdx=0.
题目 17
题目
∫041+2xxdx
解答
令 u=1+2x,则 x=2u−1,积分上下限变为 1 和 9:
∫041+2xxdx=41∫19(u−1)u−1/2du=310.
题目 18
题目
∫01(1+x)41dx
解答
令 u=1+x,则 x=(u−1)2、dx=2(u−1)du:
∫01(1+x)4dx=2∫12(u−3−u−4)du=61.
求特殊三角函数的积分
题目 19
题目
∫sin3xdx
解答
令 u=cosx,并使用 sin2x=1−cos2x:
∫sin3xdx=−∫(1−u2)du=−cosx+31cos3x+C.
题目 20
题目
∫sin2xcos5xdx
解答
令 u=sinx,并写成 cos5x=(1−sin2x)2cosx:
∫sin2xcos5xdx=∫u2(1−u2)2du=31sin3x−52sin5x+71sin7x+C.
原讲义中的第 21 题只保留了积分符号,没有题目内容,因此暂不补写答案,避免编造题意。
本章总结
- 定积分是黎曼和的极限,用来描述面积、距离和一般累积量。
- 定积分的值依赖被积函数、积分区间和积分方向。
- 微积分基本定理把求导与积分连接为互逆运算。
- 净变化等于变化率在时间或空间区间上的积分。
- 换元法是链式法则在积分中的逆向使用。