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第五章:积分

《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。

本章地图

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

引文

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 ff 的图像下方区域 SS 的面积 AA 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]A=\lim_{ n \to +\infty } R_{n}=\lim_{ n \to +\infty } [f(x_{1})\Delta x+f(x_{2})\Delta x+\dots +f(x_{n})\Delta x] 利用求和符号简化公式: A=limn+i=1nf(xi)ΔxA=\lim_{ n \to +\infty } \sum^n_{i=1} f(x_{i}) \Delta x

距离问题

引文

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 dd 以极限表达: d=limn+i=1nf(ti)Δtd=\lim_{ n \to +\infty } \sum^n_{i=1}f(t_{i})\Delta t


5.2 定积分

定积分

提示 abf(x)dx=limn+i=1nf(xi)Δx\int_{a}^{b} f(x) \, dx= \lim_{ n \to +\infty } \sum^n_{i=1} f(x_{i}^*) \Delta x


  • 定积分的定义中极限的准确含义为: 对于任意 ε>0\varepsilon>0 ,存在正整数 NN ,使得对于每个正整数数 n>Nn>N 和区间 [xi1,xi][x_{i-1},x_{i}] 内的每个样本点 xix_{i}^* 都有

abf(x)dxi=1nf(xi)Δx<ε\bigg|\int_{a}^{b} f(x) \, dx-\sum_{i=1}^n f(x_{i}^*)\Delta x\bigg|<\varepsilon 说明 符号 \int 由莱布尼茨引入,称为积分符号,它是一个拉长的 SS。之所以选择这样的符号,是因为积分是和 ()\left(\sum\right) 的极限。f(x)f(x) 称为被积函数,aabb 称为积分限,其中 aa 为积分下限,bb 为积分上限。符号 dxdx 指明积分变量为 xxabf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx 是一个完整的积分表达式。

计算定积分

i=1n1=ni=1ni=n(n+1)2i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6i=1ni3=[n(n+1)2]2\begin{aligned} &\sum_{i=1}^n1=n\\ &\sum_{i=1}^ni=\frac{n(n+1)}{2}\\ &\sum_{i=1}^ni^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\\ &\sum_{i=1}^ni^3=\left[ \frac{n(n+1)}{2} \right]^2 \end{aligned}
  • 亦可配合图像理解求积分。

定积分的性质

abcdx=c(ba)\int_{a}^{b} c \, dx=c(b-a) 其中 cc 为任意常数。 ab[f(x)+g(x)]dx=abf(x)dx+abg(x)dx\int_{a}^{b} [f(x)+g(x)] \, dx=\int_{a}^{b} f(x) \, dx+\int_{a}^{b} g(x) \, dx abcf(x)dx=cabf(x)dx\int_{a}^{b} cf(x) \, dx=c\int_{a}^{b} f(x) \, dx 其中 cc 为任意常数。 ab[f(x)g(x)]dx=abf(x)dxabg(x)dx\int_{a}^{b} [f(x)-g(x)] \, dx=\int_{a}^{b} f(x) \, dx-\int_{a}^{b} g(x) \, dx

提示 acf(x)dx+cbf(x)dx=abf(x)dx\int_{a}^{c} f(x) \, dx +\int_{c}^{b} f(x) \, dx =\int_{a}^{b} f(x) \, dx

积分的比较性质:

  • 如果在 [a,b][a,b]f(x)0f(x)\geqslant 0,那么

    abf(x)dx0\int_a^b f(x)\,dx\geqslant 0
  • 如果在 [a,b][a,b]f(x)g(x)f(x)\geqslant g(x),那么

    abf(x)dxabg(x)dx\int_a^b f(x)\,dx\geqslant\int_a^b g(x)\,dx
  • 如果在 [a,b][a,b]mf(x)Mm\leqslant f(x)\leqslant M,那么

    m(ba)abf(x)dxM(ba)m(b-a)\leqslant\int_a^b f(x)\,dx\leqslant 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 ff[a,b][a,b] 上的连续函数,并且定义函数 gg
g(x)=axf(t)dt,axbg(x)=\int_a^x f(t)\,dt, \qquad a\leqslant x\leqslant b

那么 gg[a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 上可微,并且 g(x)=f(x)g'(x)=f(x)

微积分基本定理(第二定理)

  • 如果 ff[a,b][a,b] 上连续,那么 abf(x)dx=F(b)F(a)\int_{a}^{b} f(x) \, dx =F(b)-F(a)
  • 其中 FFff 的任意原函数,即 F=fF'=f

5.4 不定积分与净变化定理

不定积分

f(x)dx=F(x),F(x)=f(x)\int f(x)dx=F(x),即F'(x)=f(x)

注意

定积分是一个数,不定积分是一个函数。

净变化定理

abF(x)dx=F(b)F(a)\int_{a}^{b} F'(x) \, dx =F(b)-F(a)


5.5 换元法

不定积分的换元

2x1+x2dx\int 2x\sqrt{ 1+x^2 }dx

  • u=1+x2    du=2xdxu=1+x^2\implies du=2xdx 1+x22xdx=udu=23u32+C\int \sqrt{ 1+x^2 }\cdot2xdx=\int \sqrt{ u }du=\frac{2}{3}u^{\frac{3}{2}}+C =23(1+x2)32+C=\frac{2}{3}(1+x^2)^{\frac{3}{2}}+C
小结

基础型

F(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C\int F'(g(x))\cdot g'(x)dx=F(g(x))+C

说明 换元法 f(g(x))g(x)dx=f(u)du\int f(g(x))\cdot g'(x)dx=\int f(u)du

提示 tanxdx=lnsecx+C\int \tan xdx=\ln |\sec x|+C

定积分换元法

如果 gg'[a,b][a,b] 上连续且 ffu=g(x)u=g(x) 的值域上连续,那么 abf(f(x))g(x)dx=g(a)g(b)f(u)du\int_{a}^{b} f(f(x))g'(x) \, dx =\int_{g(a)}^{g(b)} f(u) \, du

  • 例:求 12dx(35x)2dx\int_{1}^{2} \frac{dx}{(3-5x)^2} \, dx
  • 解: 令 u=35xu=3-5x ,则 du=5dxdu=-5dx ,所以 dx=15dudx=-\frac{1}{5}du ,当 x=1x=1 时,u=2u=-2 ;当 x=2x=2 时,u=7u=-7 ,因此 12dx(35x)2dx=15271u2du=15[1u]27=114\int_{1}^{2} \frac{dx}{(3-5x)^2} \, dx=-\frac{1}{5} \int_{-2}^{-7} \frac{1}{u^2} \, du= -\frac{1}{5}\left[ -\frac{1}{u} \right]_{-2}^{-7}=\frac{1}{14}

对称性

提示 对称函数的积分:假设 ff 上连续,则: 1、如果 ff 是偶函数,那么 aaf(x)dx=20af(x)dx\int_{-a}^{a} f(x) \, dx=2\int_{0}^{a} f(x) \, dx 2、如果 ff 是奇函数,那么 aaf(x)dx=0\int_{-a}^{a} f(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\int\cos 2x\,dx, \qquad u=2x

解答

cos2xdx=12cosudu=12sin2x+C.\int\cos 2x\,dx =\frac12\int\cos u\,du =\frac12\sin 2x+C.

题目 2

题目

xex2dx,u=x2\int xe^{-x^2}\,dx, \qquad u=-x^2

解答

xex2dx=12eudu=12ex2+C.\int xe^{-x^2}\,dx =-\frac12\int e^u\,du =-\frac12e^{-x^2}+C.

题目 3

题目

sin2θcosθdθ,u=sinθ\int\sin^2\theta\cos\theta\,d\theta, \qquad u=\sin\theta

解答

u2du=13u3+C=13sin3θ+C.\int u^2\,du =\frac13u^3+C =\frac13\sin^3\theta+C.

求下列不定积分

题目 4

题目

cosx1+sinxdx\int\frac{\cos x}{1+\sin x}\,dx

解答

u=1+sinxu=1+\sin x,则 du=cosxdxdu=\cos x\,dx,所以

duu=lnu+C=ln1+sinx+C.\int\frac{du}{u} =\ln|u|+C =\ln|1+\sin x|+C.

题目 5

题目

eu(1eu)2du\int\frac{e^u}{(1-e^u)^2}\,du

解答

t=1eut=1-e^u,则 dt=eududt=-e^u\,du,所以

t2dt=1t+C=11eu+C.-\int t^{-2}\,dt =\frac1t+C =\frac{1}{1-e^u}+C.

题目 6

题目

sint1+costdt\int\sin t\sqrt{1+\cos t}\,dt

解答

u=1+costu=1+\cos t,则 du=sintdtdu=-\sin t\,dt,所以

u1/2du=23(1+cost)3/2+C.-\int u^{1/2}\,du =-\frac23(1+\cos t)^{3/2}+C.

题目 7

题目

a+bx23ax+bx3dx\int\frac{a+bx^2}{\sqrt{3ax+bx^3}}\,dx

解答

u=3ax+bx3u=3ax+bx^3,则 du=3(a+bx2)dxdu=3(a+bx^2)\,dx,所以

13u1/2du=233ax+bx3+C.\frac13\int u^{-1/2}\,du =\frac23\sqrt{3ax+bx^3}+C.

题目 8

题目

1(x2+1)arctanxdx\int\frac{1}{(x^2+1)\arctan x}\,dx

解答

u=arctanxu=\arctan x,则 du=dx1+x2du=\dfrac{dx}{1+x^2},所以

duu=lnarctanx+C.\int\frac{du}{u} =\ln|\arctan x|+C.

题目 9

题目

x1+x4dx\int\frac{x}{1+x^4}\,dx

解答

u=x2u=x^2,则 du=2xdxdu=2x\,dx,所以

12du1+u2=12arctan(x2)+C.\frac12\int\frac{du}{1+u^2} =\frac12\arctan(x^2)+C.

题目 10

题目

x3x2+1dx\int x^3\sqrt{x^2+1}\,dx

解答

u=x2+1u=x^2+1,则 x3dx=12(u1)dux^3\,dx=\dfrac12(u-1)\,du,所以

x3x2+1dx=12(u1)u1/2du=15(x2+1)5/213(x2+1)3/2+C.\begin{aligned} \int x^3\sqrt{x^2+1}\,dx &=\frac12\int(u-1)u^{1/2}\,du\\ &=\frac15(x^2+1)^{5/2} -\frac13(x^2+1)^{3/2}+C. \end{aligned}

求下列定积分

题目 11

题目

01(3t1)50dt\int_0^1(3t-1)^{50}\,dt

解答

u=3t1u=3t-1。当 t=0t=0u=1u=-1;当 t=1t=1u=2u=2。因此

1312u50du=251+1153.\frac13\int_{-1}^2u^{50}\,du =\frac{2^{51}+1}{153}.

题目 12

题目

011+7x3dx\int_0^1\sqrt[3]{1+7x}\,dx

解答

u=1+7xu=1+7x,积分上下限变为 1188

1718u1/3du=4528.\frac17\int_1^8u^{1/3}\,du =\frac{45}{28}.

题目 13

题目

0π/6sintcos2tdt\int_0^{\pi/6}\frac{\sin t}{\cos^2t}\,dt

解答

u=costu=\cos t,则 du=sintdtdu=-\sin t\,dt,所以

13/2u2du=2333.\int_1^{\sqrt3/2}-u^{-2}\,du =\frac{2\sqrt3-3}{3}.

题目 14

题目

01ex1+e2xdx\int_0^1\frac{e^x}{1+e^{2x}}\,dx

解答

u=exu=e^x,积分上下限变为 11ee

1edu1+u2=arctaneπ4.\int_1^e\frac{du}{1+u^2} =\arctan e-\frac{\pi}{4}.

题目 15

题目

a>0a>0,计算

0axx2+a2dx.\int_0^a x\sqrt{x^2+a^2}\,dx.

解答

u=x2+a2u=x^2+a^2,积分上下限变为 a2a^22a22a^2

12a22a2u1/2du=a33(221).\frac12\int_{a^2}^{2a^2}u^{1/2}\,du =\frac{a^3}{3}(2\sqrt2-1).

题目 16

题目

π/3π/3x4sinxdx\int_{-\pi/3}^{\pi/3}x^4\sin x\,dx

解答

x4sinxx^4\sin x 是奇函数,积分区间关于原点对称,因此

π/3π/3x4sinxdx=0.\int_{-\pi/3}^{\pi/3}x^4\sin x\,dx=0.

题目 17

题目

04x1+2xdx\int_0^4\frac{x}{\sqrt{1+2x}}\,dx

解答

u=1+2xu=1+2x,则 x=u12x=\dfrac{u-1}{2},积分上下限变为 1199

04x1+2xdx=1419(u1)u1/2du=103.\begin{aligned} \int_0^4\frac{x}{\sqrt{1+2x}}\,dx &=\frac14\int_1^9(u-1)u^{-1/2}\,du\\ &=\frac{10}{3}. \end{aligned}

题目 18

题目

011(1+x)4dx\int_0^1\frac{1}{(1+\sqrt{x})^4}\,dx

解答

u=1+xu=1+\sqrt{x},则 x=(u1)2x=(u-1)^2dx=2(u1)dudx=2(u-1)\,du

01dx(1+x)4=212(u3u4)du=16.\begin{aligned} \int_0^1\frac{dx}{(1+\sqrt{x})^4} &=2\int_1^2(u^{-3}-u^{-4})\,du\\ &=\frac16. \end{aligned}

求特殊三角函数的积分

题目 19

题目

sin3xdx\int\sin^3x\,dx

解答

u=cosxu=\cos x,并使用 sin2x=1cos2x\sin^2x=1-\cos^2x

sin3xdx=(1u2)du=cosx+13cos3x+C.\int\sin^3x\,dx =-\int(1-u^2)\,du =-\cos x+\frac13\cos^3x+C.

题目 20

题目

sin2xcos5xdx\int\sin^2x\cos^5x\,dx

解答

u=sinxu=\sin x,并写成 cos5x=(1sin2x)2cosx\cos^5x=(1-\sin^2x)^2\cos x

sin2xcos5xdx=u2(1u2)2du=13sin3x25sin5x+17sin7x+C.\begin{aligned} \int\sin^2x\cos^5x\,dx &=\int u^2(1-u^2)^2\,du\\ &=\frac13\sin^3x -\frac25\sin^5x +\frac17\sin^7x+C. \end{aligned}
原笔记待补充

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。