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第七章:积分技巧

《斯图尔特微积分》第七章:积分技巧读书笔记。本章建立积分求解策略库。重点不只是记住公式,而是识别被积函数结构,选择能降低复杂度的方法,并判断反常积分是否收敛。

本章地图​

小节核心问题需要掌握的内容
7.1 分部积分法乘积结构怎样积分?分部积分、循环积分、归约公式
7.2 三角函数的积分三角幂函数怎样处理?奇偶性、降幂、积化和差
7.3 三角换元根式结构怎样化简?sin⁡\sin、tan⁡\tan、sec⁡\sec 换元
7.4 有理函数的积分与部分分式法有理函数怎样拆解?因式分解、部分分式、有理换元
7.5 积分策略面对新积分怎样选方法?化简、换元、分部、恒等变形
7.6 利用积分表和技术工具求积分工具怎样辅助而不替代判断?积分表、计算机代数、结果验证
7.7 积分的近似无法解析积分时怎么办?中点、梯形、辛普森法则、误差
7.8 反常积分无穷区间和奇点怎样积分?极限定义、收敛与发散、pp 积分

7.1 分部积分法​

不定积分的分部积分法​

公式

分部积分公式

∫f(x)g′(x)dx=f(x)g(x)−∫g(x)f′(x)dx\int f(x)g'(x)dx=f(x)g(x)-\int g(x)f'(x)dx ∫udv=uv−∫vdu\int udv=uv-\int vdu

例题 例1:求 ∫xsin⁡xdx\int x\sin xdx 解: ∫xsin⁡xdx=x(−cos⁡x)−∫(−cos⁡x)dx=−xcos⁡x+sin⁡x+C\int x\sin xdx=x(-\cos x)-\int(-\cos x)dx=-x\cos x+\sin x+C 分布积分法的目的是得到一个更简单的积分,对比分布积分公式,此处,sin⁡x\sin x 更适合充当 g(x)g(x) 。

例2:求∫ln⁡xdx\int \ln xdx 解: ∫ln⁡xdx=xln⁡x−∫x⋅1xdx=xln⁡x−x+C\int \ln xdx=x\ln x-\int x \cdot \frac{1}{x}dx=x\ln x-x+C 本题中,ln⁡x\ln x 更适合充当 g(x)g(x) 。

例3:求 ∫t2etdt\int t^2e^tdt 解: ∫t2etdt=t2et−∫2t⋅etdt=t2et−(tet−∫etdt)\int t^2e^tdt=t^2e^t-\int 2t\cdot e^tdt=t^2e^t-\left( te^t-\int e^tdt \right) =t2et−2tet+2et+C=t^2e^t-2te^t+2e^t+C

例4:∫exsin⁡xdx\int e^x\sin xdx 解: ∫exsin⁡xdx=ex(−cos⁡x)+∫excos⁡x=−excos⁡x+exsin⁡x−∫exsin⁡xdx\int e^x\sin xdx=e^x(-\cos x)+\int e^x\cos x=-e^x\cos x+e^x\sin x-\int e^x\sin xdx 2∫exsin⁡x=−excos⁡x+exsin⁡x2\int e^x\sin x=-e^x\cos x+e^x\sin x ∫exsin⁡xdx=12ex(sin⁡x−cos⁡x)+C\int e^x\sin xdx=\frac{1}{2}e^x(\sin x-\cos x)+C 通过连续使用分布积分法,可以得到循环,从而巧妙地把积分求解出来。

定积分的分部积分法​

公式 定积分分部积分公式 ∫abf(x)g′(x) dx=f(x)g(x)∣ab−∫abg(x)f′(x) dx\int_{a}^{b} f(x)g'(x) \, dx=f(x)g(x)\bigg|_{a}^b -\int_{a}^{b}g(x)f'(x) \, dx

例题 例5:求 ∫01tan⁡−1x dx\int_{0}^{1} \tan^{-1}x \, dx 解: ∫01tan⁡t−1x dx=xtan⁡t−1x∣01−∫01x1+x2 dx\int_{0}^{1}\tan t^{-1}x \, dx=x\tan t^{-1}x\bigg|_{0}^1-\int_{0}^{1} \frac{x}{1+x^2} \, dx =π4−∫01x1+x2 dx=π4−12ln⁡2=\frac{\pi}{4}-\int_{0}^{1} \frac{x}{1+x^2} \, dx=\frac{\pi}{4}-\frac{1}{2}\ln2

归约公式​

公式 ∫sin⁡nxdx=−1ncos⁡xsin⁡n−1x+n−1nsin⁡n−1dx\int \sin^nxdx=-\frac{1}{n}\cos x\sin^{n-1}x+\frac{n-1}{n}\sin^{n-1}dx


7.2 三角函数的积分​

正弦函数和余弦函数的幂的积分​

例题 例1:∫cos⁡3xdx\int \cos^3xdx 解: ∫cos⁡3xdx=∫cos⁡2x⋅cos⁡x=∫(1−sin⁡2x)cos⁡xdx\int \cos ^3xdx=\int \cos^2x\cdot \cos x=\int(1-\sin^2x)\cos xdx ∫(1−sin⁡2x)d(sin⁡x)=sin⁡x−13sin⁡3x+C\int(1-\sin ^2x)d(\sin x)=\sin x-\frac{1}{3}\sin^3x+C 利用公式:sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2x+\cos^2x=1 替换后,再求解。

例2:∫sin⁡5x⋅cos⁡2xdx\int \sin^5x\cdot \cos^2xdx 解: ∫sin⁡5x⋅cos⁡2xdx=∫(sin⁡2x)2⋅cos⁡2x⋅sin⁡xdx\int \sin^5x\cdot \cos^2xdx=\int(\sin^2x)^2\cdot \cos^2x\cdot \sin xdx ∫(1−cos⁡2x)2⋅cos⁡2x(−1)d(cos⁡x)\int(1-\cos^2x)^2\cdot \cos^2x(-1)d(\cos x) =−13cos⁡3x+25cos⁡5x−17cos⁡7x+C=-\frac{1}{3}\cos^3x+\frac{2}{5}\cos^5x-\frac{1}{7}\cos^7x+C

上面的例子中,可以从奇次幂中分离出一个因子,并转换剩余的偶次幂。对于都是偶次幂的情况,可以使用半角公式来处理。

公式

半角公式

sin⁡2x=12(1−cos⁡2x)\sin^2x=\frac{1}{2}(1-\cos 2x) cos⁡2x=12(1+cos⁡2x)\cos^2x=\frac{1}{2}(1+\cos 2x)

例题 例3:∫0πsin⁡2x dx\int_{0}^{\pi} \sin^2x \, dx 解: 使用半角公式, ∫0πsin⁡2x dx=12∫0π(1−cos⁡2x) dx\int_{0}^{\pi} \sin^2x \, dx =\frac{1}{2}\int_{0}^{\pi} (1-\cos 2x) \, dx =12(x−12sin⁡2x)∣0π=12π=\frac{1}{2}\left( x-\frac{1}{2\sin 2x} \right)\bigg|_{0}^\pi=\frac{1}{2}\pi

例4:∫sin⁡4xdx\int \sin^4xdx 解: ∫sin⁡4xdx=∫(sin⁡2x)2dx=∫[12(1−cos⁡2x)]2dx\int \sin^4xdx=\int(\sin ^2x)^2dx=\int\left[ \frac{1}{2}(1-\cos 2x) \right]^2dx ∫14[1−2cos⁡2x+cos⁡2(2x)]dx=14∫(32−2cos⁡2x+12cos⁡4x)\int \frac{1}{4}[1-2\cos 2x +\cos^2(2x)]dx=\frac{1}{4}\int\left( \frac{3}{2}-2\cos 2x+\frac{1}{2}\cos4x \right) =14(32x−sin⁡2x+18sin⁡4x)+C=\frac{1}{4}\left( \frac{3}{2}x-\sin 2x+\frac{1}{8}\sin 4x \right)+C

正割函数和正切函数的幂的积分​

(tan⁡x)′=sec⁡2x(\tan x)'=\sec^2x sec⁡2x=1+tan⁡2x\sec^2x=1+\tan^2x 例题 例5:∫tan⁡6x⋅sec⁡4xdx\int \tan^6x\cdot \sec^4xdx 解: 分离出一个 sec⁡2x\sec^2x 因子,利用 sec⁡2x=1+tan⁡2x\sec^2x=1+\tan^2x 替换 ∫tan⁡6x⋅sec⁡4xdx=∫tan⁡6x⋅sec⁡2x⋅sec⁡2xdx\int \tan^6x\cdot \sec^4xdx=\int \tan^6x\cdot \sec^2x\cdot \sec^2xdx =∫tan⁡6x(1+tan⁡2x)d(tan⁡x)=\int \tan^6x(1+\tan^2x)d(\tan x) =17tan⁡7x+19tan⁡9x+C=\frac{1}{7}\tan^7x+\frac{1}{9}\tan^9x+C

例6:∫tan⁡5x⋅sec⁡7xdx\int \tan^5x\cdot \sec^7xdx 解: ∫tan⁡5x⋅sec⁡7xdx=∫tan⁡4x⋅sec⁡6x⋅sec⁡x⋅tan⁡xdx\int \tan^5x\cdot \sec^7xdx=\int \tan^4x\cdot \sec^6x\cdot \sec x\cdot \tan xdx =∫(sec⁡2x−1)2sec⁡6xd(sec⁡x)=\int(\sec^2x-1)^2\sec^6xd(\sec x) =111sec⁡11x−29sec⁡9x+17sec⁡7x+C=\frac{1}{11}\sec^{11}x-\frac{2}{9}\sec^9x+\frac{1}{7}\sec^7x+C

公式 ∫tan⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x∣+C\int \tan xdx=\ln |\sec x|+C ∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec xdx=\ln |\sec x+\tan x|+C

例题 例7:∫tan⁡3xdx\int \tan^3xdx 解: ∫tan⁡3xdx=∫tan⁡x⋅tan⁡2xdx=∫tan⁡x(sec⁡2x−1)dx\int \tan^3xdx=\int \tan x\cdot \tan^2xdx=\int \tan x(\sec^2x-1)dx =∫tan⁡xsec⁡2xdx−∫tan⁡xdx=\int \tan x\sec^2xdx-\int \tan xdx =12tan⁡2x−ln⁡∣sec⁡x∣+C=\frac{1}{2}\tan^2x-\ln |\sec x|+C

例8:∫sec⁡3xdx\int \sec^3xdx 解: ∫sec⁡3xdx=sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡xtan⁡2xdx\int \sec^3xdx=\sec x\tan x-\int \sec x\tan^2xdx =sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡x(sec⁡2x−1)dx=\sec x\tan x-\int \sec x(\sec^2x-1)dx =sec⁡xtan⁡x−∫sec⁡3xdx+∫sec⁡xdx=\sec x\tan x-\int \sec^3xdx+\int \sec xdx ∫sec⁡3xdx=12sec⁡xtan⁡x+12ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec^3xdx=\frac{1}{2}\sec x\tan x+\frac{1}{2}\ln |\sec x+\tan x|+C

积化和差公式​

公式 sin⁡Acos⁡B=12[sin⁡(A−B)+sin⁡(A+B)]\sin A\cos B=\frac{1}{2}[\sin(A-B)+\sin(A+B)] sin⁡Asin⁡B=12[cos⁡(A−B)−cos⁡(A+B)]\sin A\sin B=\frac{1}{2}[\cos(A-B)-\cos(A+B)] cos⁡Acos⁡B=12[cos⁡(A−B)+cos⁡(A+B)]\cos A\cos B=\frac{1}{2}[\cos(A-B)+\cos(A+B)]

例题 例9: ∫sin⁡4xcos⁡5xdx\int \sin 4x\cos 5xdx 解: ∫sin⁡4xcos⁡5xdx=∫12[sin⁡(−x)+sin⁡9x]dx\int \sin 4x\cos 5xdx=\int \frac{1}{2}[\sin(-x)+\sin 9x]dx =12(cos⁡x−19cos⁡9x)+C=\frac{1}{2}\left( \cos x-\frac{1}{9}\cos 9x \right)+C


7.3 三角换元​

对于 ∫xa2−x2dx\int x\sqrt{ a^2-x^2 }dx 可以是使用换元 u=a2−x2u=a^2-x^2 ,但是对于 ∫a2−x2dx\int \sqrt{ a^2-x^2 }dx 就不是很好处理,我们可以通过 x=asin⁡θx=a\sin\theta 将变量 xx 变为 θ\theta 来处理: a2−x2=a2−a2sin⁡2θ=a2(1−sin⁡2x)=a2cos⁡2x\sqrt{ a^2-x^2 }=\sqrt{ a^2-a^2\sin^2\theta }=\sqrt{ a^2(1-\sin^2x) }=\sqrt{ a^2\cos^2x } =a∣cos⁡θ∣=a|\cos\theta| 三角换元表

根式三角换元三角恒等式
a2−x2\sqrt{ a^2-x^2 }x=asin⁡θ,−π2⩽θ⩽π2x=a\sin\theta,-\frac{\pi}{2}\leqslant \theta \leqslant \frac{\pi}{2}1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1-\sin^2\theta=\cos^2\theta
a2+x2\sqrt{ a^2+x^2 }x=atan⁡θ,−π2⩽θ⩽π2x=a\tan\theta,-\frac{\pi}{2}\leqslant \theta \leqslant \frac{\pi}{2}1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1+\tan^2\theta=\sec^2\theta
x2−a2\sqrt{ x^2-a^2 }x=asec⁡θ,0⩽θ,π2或π⩽θ<3π2x=a\sec \theta,0\leqslant \frac{\theta ,\pi}{2}或\pi\leqslant \theta< \frac{3\pi}{2}sec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2\theta-1=\tan^2\theta

例题 例1:∫9−x2x2dx\int \frac{\sqrt{ 9-x^2 }}{x^2}dx 解: 9−x2=9−9sin⁡2θ=3∣cos⁡θ∣=3cos⁡θ,dx=3cos⁡θdx\sqrt{ 9-x^2 }=\sqrt{ 9-9\sin^2\theta }=3|\cos\theta|=3\cos\theta,dx=3\cos\theta dx ∫9−x2x2dx=∫3cos⁡θ9sin⁡2θ⋅3cos⁡θdθ\int \frac{\sqrt{ 9-x^2 }}{x^2}dx=\int \frac{3\cos\theta}{9\sin^2\theta}\cdot 3\cos\theta d\theta =∫cot⁡2θdθ=∫(csc⁡2θ−1)dθ=−cot⁡θ−θ+C=\int \cot^2\theta d\theta=\int(\csc^2\theta-1)d\theta=-\cot\theta-\theta+C sin⁡θ=x3  ⟹  cot⁡θ=9−x2x\sin\theta=\frac{x}{3}\implies \cot\theta= \frac{\sqrt{ 9-x^2 }}{x} ∫9−x2x2dx=−cot⁡θ−θ+C=−9−x2x−arcsin⁡(x3)+C\int \frac{\sqrt{ 9-x^2 }}{x^2}dx=-\cot\theta-\theta+C=-\frac{\sqrt{ 9-x^2 }}{x}-\arcsin\left( \frac{x}{3} \right)+C

例2:求椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 所围成的面积 解: 改成为: y=baa2−x2y=\frac{b}{a}\sqrt{ a^2-x^2 } 14A=∫0abaa2−x2 dx\frac{1}{4}A=\int_{0}^{a} \frac{b}{a}\sqrt{ a^2-x^2 } \, dx 令 x=asin⁡θx=a\sin\theta。当 x=0x=0 时,θ=0\theta=0;当 x=ax=a 时,θ=π2\theta=\dfrac{\pi}{2}。 a2−x2=a2−a2sin⁡2θ=acos⁡θ\sqrt{ a^2-x^2 }=\sqrt{ a^2-a^2\sin^2\theta }=a\cos\theta A=4ba∫0aa2−x2 dx=4ba∫0π2acos⁡θ⋅acos⁡θ dθA=4 \frac{b}{a}\int_{0}^{a} \sqrt{ a^2-x^2 } \, dx=4 \frac{b}{a}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}a\cos\theta \cdot a\cos\theta \, d\theta =4ab∫0π2cos⁡2θ dθ=4ab∫0π212(1+cos⁡2θ) dθ=4ab\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^2\theta \, d\theta=4ab\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{2}(1+\cos 2\theta) \, d\theta =2ab[θ+12sin⁡2θ]0π2=πab=2ab\left[ \theta+\frac{1}{2}\sin 2\theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}}=\pi ab 当 a=b=ra=b=r 时,正好是圆的面积方程:A=πr2A=\pi r^2

7.4 有理函数的积分与部分分式法​

部分分式法​

有理函数 f(x)=P(x)Q(x)f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)} 其中 PP 和 QQ 是多项式,如果 PP 的次数小于 QQ 的次数,那么将 ff 表示成简单分数之和的形式是可以实现的,这样的有理函数为真分式: P(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0P(x)=a_{n}x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\dots +a_{1}x+a_{0} 如果 ff 是假分式,需要化简: f(x)=S(x)+R(x)Q(x)f(x)=S(x)+\frac{R(x)}{Q(x)}

例题 例1:∫x3+xx−1dx\int \frac{x^3+x}{x-1}dx 解: ∫x3+xx−1dx=∫(x2+x+2+2x−1)dx\int \frac{x^3+x}{x-1}dx=\int\left( x^2+x+2+\frac{2}{x-1} \right)dx =13x3+12x2+2x+2ln⁡∣x−1∣+C=\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{2}x^2+2x+2\ln |x-1|+C

例2:∫x2+2x−12x3+3x2−2x\int \frac{x^2+2x-1}{2x^3+3x^2-2x} 解: 分子的次数比分母的次数低,无法使用长除法,对分母进行因式分解, 2x3+3x2−2x=x(2x−1)(x+2)2x^3+3x^2-2x=x(2x-1)(x+2) 由于分母包含三个不同的线性因式,被积函数可以分解为: x2+2x−1x(2x−1)(x+2)=Ax+B2x−1+Cx+2\frac{x^2+2x-1}{x(2x-1)(x+2)}=\frac{A}{x}+\frac{B}{2x-1}+\frac{C}{x+2} 通分后: x2+2x−1x(2x−1)(x+2)=A(2x−1)(x+2)+Bx(x+2)+Cx(2x−1)x(2x−1)(x+2)\frac{x^2+2x-1}{x(2x-1)(x+2)}=\frac{A(2x-1)(x+2)+Bx(x+2)+Cx(2x-1)}{x(2x-1)(x+2)} 上式中分子为一个恒等式,对于任意 xx 都成立,不妨直接代入 12,−2,0\frac{1}{2},-2,0 ,可以简化运算, 求得: A=12,B=15,C=−110A=\frac{1}{2},B=\frac{1}{5},C=-\frac{1}{10} 因此原式化为

∫(12x+15(2x−1)−110(x+2)) dx\int\left( \frac{1}{2x} +\frac{1}{5(2x-1)} -\frac{1}{10(x+2)} \right)\,dx

=12ln⁡∣x∣+110ln⁡∣2x−1∣−110ln⁡∣x+2∣+K=\frac{1}{2}\ln |x|+\frac{1}{10}\ln |2x-1|-\frac{1}{10}\ln |x+2|+K

公式 ∫dxx2−a2=12aln⁡∣x−ax+a∣+C\int \frac{dx}{x^2-a^2}=\frac{1}{2a}\ln |\frac{x-a}{x+a}|+C

说明

出现重因式

Q(x)Q(x) 式线性因式的乘积,其中有重因式。

例题 例3:∫x4−2x2+4x+1x3−x2−x+1dx\int \frac{x^4-2x^2+4x+1}{x^3-x^2-x+1}dx 解: 先进行长除法, x4−2x2+4x+1x3−x2−x+1=x+1+4xx3−x2−x+1 \frac{x^4-2x^2+4x+1}{x^3-x^2-x+1}=x+1+\frac{4x}{x^3-x^2-x+1} =x+1+Ax−1+B(x−1)2+Cx+1=x+1+\frac{A}{x-1}+\frac{B}{(x-1)^2}+\frac{C}{x+1} 可以得到: 4x=A(x−1)(x+1)+B(x+1)+C(x−1)24x=A(x-1)(x+1)+B(x+1)+C(x-1)^2 求解: A=1,B=2,C=−1A=1,B=2,C=-1 ∫x4−2x2+4x+1x3−x2−x+1dx=∫[x+1+1x−1+2(x−1)2−1x+1]dx\int \frac{x^4-2x^2+4x+1}{x^3-x^2-x+1}dx=\int\left[ x+1+\frac{1}{x-1}+\frac{2}{(x-1)^2}-\frac{1}{x+1} \right]dx =12x2+x+ln⁡∣x−1∣−2x−1−ln⁡∣x+1∣+K=\frac{1}{2}x^2+x+\ln |x-1|-\frac{2}{x-1}-\ln |x+1|+K =12x2+x−2x−1+ln⁡∣x−1x+1∣+K=\frac{1}{2}x^2+x-\frac{2}{x-1}+\ln | \frac{x-1}{x+1}|+K

说明

分母含有不可约二次根式,其中没有重因式

如: Ax+Bax2+bx+c\frac{Ax+B}{ax^2+bx+c}

公式 ∫dxx2+a2=1aacrtan⁡(xa)+C\int \frac{dx}{x^2+a^2}=\frac{1}{a}acr\tan\left( \frac{x}{a} \right)+C

例题 例4:∫2x2−x+4x3+4xdx\int \frac{2x^2-x+4}{x^3+4x}dx 解: 2x2−x+4x(x2+4)=Ax+Bx+Cx2+4\frac{2x^2-x+4}{x(x^2+4)}=\frac{A}{x}+\frac{Bx+C}{x^2+4} 2x2−x+4=A(x2+4)+(Bx+C)x2x^2-x+4=A(x^2+4)+(Bx+C)x A=1,B=1,C=−1A=1,B=1,C=-1 ∫2x2−x+4x3+4xdx=∫(1x+x−1x2+4)dx\int \frac{2x^2-x+4}{x^3+4x}dx=\int\left( \frac{1}{x}+\frac{x-1}{x^2+4} \right)dx =ln⁡∣x∣+12ln⁡(x2+4)−12arctan⁡(x2)+K=\ln |x|+\frac{1}{2}\ln(x^2+4)-\frac{1}{2}\arctan\left( \frac{x}{2} \right)+K

有理换元​

针对 g(x)n\sqrt[n]{ g(x) } 进行换元,令 u=g(x)nu=\sqrt[n]{ g(x) }

例5:∫x+4xdx\int \frac{\sqrt{ x+4 }}{x}dx 解: 令 u=x+4  ⟹  u2=x+4,则x=u2−4,dx=2uduu=\sqrt{ x+4 }\implies u^2=x+4,则x=u^2-4,dx=2udu ∫x+4xdx=∫uu2−42udu=2∫u2u2−4du=2∫(1+4u2−4)du\int \frac{\sqrt{ x+4 }}{x}dx=\int \frac{u}{u^2-4}2udu=2\int \frac{u^2}{u^2-4}du=2\int \left( 1+\frac{4}{u^2-4} \right)du =2u+2ln⁡∣u−2u+2∣+C=2u+2\ln | \frac{u-2}{u+2}|+C =2x+4+2ln⁡∣x+4−2x+4+2∣+C=2\sqrt{ x+4 }+2\ln | \frac{\sqrt{ x+4 }-2}{\sqrt{ x+4 }+2}|+C


7.5 积分策略​

(1)∫xndx=xn+1n+1(2)∫1xdx=ln⁡∣x∣(3)∫exdx=ex(4)∫bxdx=bxln⁡b(5)∫sin⁡xdx=−cos⁡x(6)∫cos⁡xdx=sin⁡x(7)∫sec⁡2xdx=tan⁡x(8)∫csc⁡2xdx=−cot⁡s(9)∫sec⁡xtan⁡xdx=sec⁡x(10)∫csc⁡xcot⁡sdx=−csc⁡x(11)∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣(12)∫csc⁡xdx=ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣\begin{aligned} (1)&\quad \int x^ndx=\frac{x^{n+1}}{n+1}\\ (2)&\quad \int \frac{1}{x}dx=\ln |x|\\ (3)&\quad \int e^xdx=e^x\\ (4)&\quad \int b^xdx=\frac{b^x}{\ln b}\\ (5)&\quad \int \sin xdx=-\cos x\\ (6)&\quad \int \cos xdx=\sin x\\ (7)&\quad \int \sec^2xdx=\tan x\\ (8)&\quad \int \csc^2xdx=-\cot s\\ (9)&\quad \int \sec x\tan xdx=\sec x\\ (10)&\quad \int \csc x\cot sdx=-\csc x\\ (11)&\quad \int \sec xdx=\ln |\sec x+\tan x|\\ (12)&\quad \int \csc xdx=\ln |\csc x-\cot x|\end{aligned} (13)∫tan⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x∣(10)∫cot⁡xdx=ln⁡∣sin⁡x∣(10)∫dxx2+a2=1aarctan⁡(xa)(10)∫dxa2−x2=arcsin⁡(xa)(10)∫dxx2−a2=12aln⁡∣x−ax+a∣(10)∫dxx2±a2=ln⁡∣x+x2±a2∣\begin{aligned} (13)&\quad \int \tan xdx=\ln |\sec x|\\ (10)&\quad \int \cot xdx=\ln |\sin x|\\ (10)&\quad \int \frac{dx}{x^2+a^2}=\frac{1}{a}\arctan \left( \frac{x}{a} \right)\\ (10)&\quad \int \frac{dx}{\sqrt{ a^2-x^2 }}=\arcsin\left( \frac{x}{a} \right)\\ (10)&\quad \int \frac{dx}{x^2-a^2}=\frac{1}{2a}\ln | \frac{x-a}{x+a}|\\ (10)&\quad \int \frac{dx}{\sqrt{ x^2\pm a^2 }}=\ln |x+\sqrt{ x^2\pm a^2 }|\end{aligned}


7.6 利用积分表和技术工具求积分​


7.7 积分的近似​

引文

类似于

∫01ex2 dx,∫−111+x3 dx\int_{0}^{1} e^{x^2} \, dx ,\int_{-1}^{1} \sqrt{ 1+x^3 } \, dx 这种积分非常难求。

中点法则和梯形法则​

中点法则 ∫abf(x) dx≈Mn=Δx[f(xˉ1)+f(xˉ2)+⋯+f(xˉn)]\int_{a}^{b} f(x) \, dx \approx M_{n}=\Delta x[f(\bar{x}_{1})+f(\bar{x}_{2})+\dots+f(\bar{x}_{n})] 其中

Δx=b−an,xˉi=xi−1+xi2\Delta x=\frac{b-a}{n}, \qquad \bar{x}_i=\frac{x_{i-1}+x_i}{2}

xˉi\bar{x}_i 是区间 [xi−1,xi][x_{i-1},x_i] 的中点。

梯形法则 ∫abf(x) dx≈Tn=Δ2[f(x0)+2f(x1)+⋯+f(xn)]\int_{a}^{b} f(x) \, dx \approx T_{n}=\frac{\Delta}{2}[f(x_{0})+2f(x_{1})+\dots+f(x_{n})] 其中

Δx=b−an,xi=a+iΔx\Delta x=\frac{b-a}{n}, \qquad x_i=a+i\Delta x

误差界 假设对于 a⩽x⩽b,∣f′′(x)∣⩽Ka\leqslant x\leqslant b,|f''(x)|\leqslant K ,如果 ETE_{T} 和 EME_{M} 分别表示使用梯形法则所造成的误差和使用中点法则所造成的误差,那么 ∣ET∣⩽K(b−a)312n3,∣EM∣⩽K(b−a)324n2|E_{T}|\leqslant \frac{K(b-a)^3}{12n^3},|E_{M}|\leqslant \frac{K(b-a)^3}{24n^2}

辛普森法则​

公式 ∫abf(x) dx≈Sn=Δx3[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+⋯+2f(xn−2)+4f(xn−1)+f(xn)]\int_{a}^{b} f(x) \, dx \approx S_{n}=\frac{\Delta x}{3}[f(x_{0})+4f(x_{1})+2f(x_{2})+\dots+2f(x_{n-2})+4f(x_{n-1})+f(x_{n})] 其中 nn 是偶数, Δx=b−an\Delta x=\frac{b-a}{n}

辛普森法则的误差界 假设对于 a⩽x⩽b,∣f4(x)∣⩽Ka\leqslant x\leqslant b,|f^4(x)|\leqslant K ,如果 ESE_{S} 表示使用辛普森法则所造成的误差,那么 ∣ES∣⩽K(b−a)5180n4|E_{S}|\leqslant \frac{K(b-a)^5}{180n^4}


7.8 反常积分​

引文

反常积分

对于定积分 ∫abf(x) dx\int_{a}^{b} f(x) \, dx ,在区间 [a,b][a,b] 上有无穷间断点,我们称之为反常积分。

类型1:无穷区间上的积分​

小结

反常积分的定义(类型1)

(a) 如果对于任意 t⩾at\geqslant a ,∫atf(x) dx\int_{a}^{t} f(x) \, dx 都存在,那么 ∫a+∞f(x) dx=lim⁡t→+∞∫atf(x) dx\int_{a}^{+\infty} f(x) \, dx =\lim_{ t \to +\infty } \int_{a}^{t} f(x) \, dx 只要极限存在(且为有限数)。 (b) 如果对于任意 t⩽bt\leqslant b ,∫tbf(x) dx\int_{t}^{b} f(x) \, dx 都存在,那么 ∫−∞bf(x) dx=lim⁡t→+∞∫tbf(x) dx\int_{-\infty}^{b} f(x) \, dx =\lim_{ t \to +\infty } \int_{t}^{b} f(x) \, dx 只要极限存在(且为有限数)。 如果对应的极限存在,那么我们称反常积分 ∫a+∞f(x) dx\int_{a}^{+\infty} f(x) \, dx 和 ∫−∞bf(x) dx\int_{-\infty}^{b} f(x) \, dx 收敛;反之,若极限不存在,则称它们发散。 (c) 如果 ∫a+∞f(x) dx\int_{a}^{+\infty} f(x) \, dx 和 ∫−∞bf(x) dx\int_{-\infty}^{b} f(x) \, dx 都收敛,那么我们定义 ∫−∞+∞f(x) dx=∫−∞af(x) dx+∫a+∞f(x) dx\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \, dx =\int_{-\infty}^{a} f(x) \, dx+\int_{a}^{+\infty} f(x) \, dx 其中 aa 为任意实数。

如果 p⩾1p\geqslant 1 ,那么 ∫1+∞1xP dx\int_{1}^{+\infty} \frac{1}{x^P} \, dx 收敛;反之,如果 p⩽1p\leqslant 1 ,那么积分发散。

类型2:不连续函数的积分​

小结

反常积分的定义(类型2)

(a)如果 ff 在 [a,b)[a,b) 上连续且在 bb 处不连续,那么 ∫abf(x) dx=lim⁡t→b−∫atf(x) dx\int_{a}^{b} f(x) \, dx=\lim_{ t \to b^- }\int_{a}^{t} f(x) \, dx 只要极限存在(且为有限数) (b)如果 ff 在 (a,b](a,b] 上连续且在 aa 处不连续,那么 ∫abf(x) dx=lim⁡t→a+∫tbf(x) dx\int_{a}^{b} f(x) \, dx =\lim_{ t \to a^+ } \int_{t}^{b} f(x) \, dx 只要极限存在(且为有限数) 如果对应的极限存在,那么我们称反常积分 ∫abf(x) dx\int_{a}^{b} f(x) \, dx 收敛;反之,若极限不存在,则称它发散。 (c)如果 ff 在 cc 处有间断,其中 a<c<ba<c<b ,并且 ∫acf(x) dx\int_{a}^{c} f(x) \, dx 和 ∫cbf(x) dx\int_{c}^{b} f(x) \, dx 均收敛,那么我们定义 ∫abf(x) dx=∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx\int_{a}^{b} f(x) \, dx =\int_{a}^{c} f(x) \, dx+\int_{c}^{b} f(x) \, dx


本章总结​

  • 分部积分适合乘积结构,本质上是乘积求导法则的逆用。
  • 三角积分和三角换元依赖恒等式与结构识别。
  • 部分分式把复杂有理函数拆成可直接积分的基本项。
  • 数值积分在无法求出初等原函数时给出可控近似。
  • 反常积分必须先写成极限,再讨论收敛或发散。