MA.4.1 不定积分及其基本计算方法

一、基本概念

graph LR
原函数[原函数]-- 求导 --> 被积函数
被积函数 -- 不定积分 --> 原函数

原函数

设 f(x):I→R, 若 ∃F(x) 使得 F′(x)=f(x)(∀x∈I), 则称 F(x) 是 f(x) 在 I 上的一个原函数.

全体原函数

设 F(x) 是 f(x) 在 I 上的一个原函数, 则 F(x)+C(C 为任意常数)为 f(x) 在 I 上的全体原函数.

Proof:

(F(x)+c)′=F′(x):=f(x)

令G(x) 为f(x)任意原函数

∴G′(x)=f(x)=F′(x)(x∈I)

⇒∃C∈RG(x)=F(x)+C

不定积分

设 f(x) 存在原函数, 则 f(x) 的全体原函数称为 f(x) 的不定积分, 记作 $$\displaystyle \int f(x) \mathrm{d} x$$

被积表达式
被积表达式

设 F(x) 是 f(x) 在 I 上的一个原函数, 则

∫f(x)dx=F(x)+C. 
不定积分与微分运算互逆
不定积分与微分运算互逆

即:左边不积分=右边求导数

Proof:

(∗) 若f可导, 则 $$\displaystyle \int f^{\prime}(x) d x=f(x)+C$$

即: $$\displaystyle \int d(f(x)+C)=f(x)+C$$

若 f 存在原函数, 则 $$\left(\int f(x) d x\right)^{\prime}=f(x)$$

即: $$d \int f(x) d x=f(x) d x$$

不定积分的线性运算
线性运算

若 f,g 在 I 上存在原函数, 则对任意 a∈R 有

∫af(x)dx=a∫f(x)dx ∫[f(x)±g(x)]dx=∫f(x)dx±∫g(x)dx

不定积分表

  1. ∫k dx=kx+C(∫0 dx=C);

  2. ∫xαdx=1α+1xα+1+C(α≠−1);
    常用形式:

    • ∫xdx=12x2

    • ∫xdx=23x32+C

    • ∫dxx=2x12+C=2x+C

    • ∫dxx2=−x−1+C=−1x+C

  3. ∫1x dx=ln⁡|x|+C;

    • ∫1ax+bdx=ln⁡(ax+b)a
  4. ∫ax dx=axln⁡a+C(0<a≠1);

  5. ∫ex dx=ex+C;

  6. ∫sin⁡x dx=−cos⁡x+C;

  7. ∫cos⁡x dx=sin⁡x+C;

  8. ∫sec2⁡x dx=tan⁡x+C;

    • ∫sec⁡xdx=ln⁡|sec⁡x+tan⁡x|
  9. ∫csc2⁡x dx=−cot⁡x+C;

    • ∫csc⁡xdx=ln⁡(tan⁡x2)
  10. ∫dxa2+x2=1aarctan⁡xa+C(a≠0);

    P.S. (1aarctan⁡xa)′=1a⋅1a11+(xa)2=1a2+x2

    • ∫dx1+x2=arctan⁡x+C
  11. ∫dxx2−a2=12aln⁡|x−ax+a|+C(a≠0);

    • ∫dxa2−x2=12aln⁡|x+ax−a|+C
  12. ∫dxa2−x2=arcsin⁡xa+C(a>0);

  13. ∫dxx2±a2=ln⁡|x+x2±a2|+C.

补充不定积分
例题
Example

例1 求 ∫(1x−11−x2)dx

Solution

=∫dxx−∫dx1−x2=2x−arcsin⁡x+c
Example

例 2 求 ∫1sin2⁡xcos2⁡x dx

Solution

=∫sin2⁡x+cos2⁡xsin2⁡xcos2⁡xdx=∫(1sin2⁡x+1cos2⁡x)dx=∫(csc2⁡x+sec2⁡x)dx=−cot⁡x+tan⁡x+C
Example

例3 求 ∫1x2(1+x2)dx

Solution

=∫(1x2−11+x2)dx=−1x−arctan⁡x+C

二、换元积分法

第一代换法 / 凑微分法

若 ∫f(u)du=F(u)+C, 而 φ(x) 可导, 则

∫f(φ(x))φ′(x)dx=F(φ(x))+C, 或 ∫f(φ(x))dφ(x)=F(φ(x))+C.
Example

例4 求下列不定积分

  1. ∫tan⁡xdx

Solution

=∫sin⁡xcos⁡xdx=∫−dcos⁡xcos⁡x=u=−cos⁡x−∫duu=−ln⁡|u|+C=−ln⁡|cos⁡x|+C
Example

2. ∫(2x−1)10dx

Solution

=∫(2x−1)20⋅12d(2x−1)=u=2x−112u10du=u1122+C=(2x−1)1122+C
Example

3. ∫dxa2+x2

Solution

=1a∫1adx1+(xa)2=1a∫dxa1+(xa)2=1a∫du1+u2=1aarctan⁡xa+C
Example

4. ∫dxx2−a2

Solution

=∫dx(x−a)(x+a)=12a∫(1x−a−1x+a)dx=12a(∫d(x−a)x−a−∫d(x+a)x+a)=12a[ln⁡|x−a|−ln⁡|x+a|]=12aln⁡|x−ax+a|+C
Example

5. ∫sec⁡xdx

Solution 凑微分

=∫1cos⁡xdx=∫cos⁡xcos2⁡xdx→ 凑 sin⁡x=∫dsin⁡x1−sin2⁡x→∫dxa2−x2=12aln⁡|x+ax−a|+C(a≠0)=12ln⁡|1+sin⁡x1−sin⁡x|+C=12ln⁡(1+sin⁡x)2cos2⁡x+C=ln⁡|1+sin⁡xcos⁡x|+C=ln⁡|sec⁡x+tan⁡x|+C
Example

6. ∫ln⁡xx1+ln⁡xdx

Solution 添项

∫ln⁡xx1+ln⁡xdx=∫ln⁡x⋅dln⁡x1+ln⁡x=u=ln⁡x∫(1+u−1)du1+u=∫(1+u−11+u)d(1+u)=23(1+u)3/2−21+u+C=23(1+ln⁡x)3/2−21+ln⁡x+C
Example

7. ∫2x−1x2−4x+5dx

Solution 配方

=∫2x−4+3x2−4x+5dx=∫d(x2−4x+5)x2−4x+5+∫3(x−2)2+1d(x−2)=ln⁡|x2−4x+5|+3arctan⁡(x−2)+C
Example

例 5 求 ∫x2+1x4+x2+1 dx.

Solution

分式上下同时除去x2,凑微分+配方:

=∫(1+1x2)dxx2+1+1x2=∫d(x−1x)(x−1x)2+32=13arctan⁡x−1x3+C
注意到,该式在x=0时无意义,继续补充

设 f(x)=x2+1x4+x2+1 原函数为 F(x)

∴F(x)={13arctan⁡x−1x3+C1,x>0C,x=013arctan⁡x−1x3+C2,x<0∵F(x) 在 x=0 连续. ∴F(0+0)=F(0)=F(0−0), 此时x−1x趋近正负无穷⇒13⋅(−π2)+C1=C=13⋅π2+C2∴C1=C+13⋅π2C2=C−13⋅π2

从而原函数 F(x)={13arctan⁡x−1x3+13⋅π2+C,x≥013arctan⁡x−1x3−13⋅π2+C,x<0

下说明 F′(x)|x=0=f(0)
由于 limx→0F′(x)=limx→0f(x)=f(0)=1
又∵F(x) 在 x=0 连续:
⇒F′(0)=f(0)=1 (运用 #导数极限定理: 导函数极限->导数极限)

第二代换法/换元积分法

已知右端求左端积分为第一代换法; 已知左端, 能否求右端积分呢? 此即下面的第二换元法.

若 ∫f(φ(t))φ′(t)dt=G(t)+C, 又 x=φ(t), 且 φ′(t)≠0, 则

∫f(x)dx=G(φ−1(x))+C
∫f(x)dx=x=φ(t)∫f(φ(t))φ′(t)dt= 已知 G(t)+C= 回代 G(φ−1(x))+C.

Proof

ddxG(φ−1(x))=t:=φ−1(x)G′(t)dtdx=G′(t)⋅1dxdt=f(φ(t))φ′(t)⋅1φ′(t)=f(φ(t))=f(x)
例题
#三角代换 去根号
含无理式 a2−x2,x2+a2 和 x2−a2 时, 可采用 x=asin⁡t,x=atan⁡t 和 x=asec⁡t 等三角代换去根号.

Example

例6 求 ∫dxx2+a2,(a>0).

Solution

令 x=atan⁡t,|t|<π2

∫dxx2+a2=∫asec2⁡tdta2tan2⁡t+a2=∫sec2⁡tsec2⁡tdt=∫sec⁡tdt=ln⁡|sec⁡t+tan⁡t|+C=ln⁡|x2+a2a+xa|+C=ln⁡|x+x2+a2|+C1

Tip

../res/fa0176bmp.png|250

Example

例7 求 ∫a2−x2 dx,(a>0).

Solution

令 x=asin⁡t原式=∫a2−a2sin2⁡t(acos⁡tdt)=a2∫cos2⁡tdt=a22∫(1+cos2⁡t)dt=a22(t+sin⁡2t2)+c=a22t+a22sin⁡tcos⁡t+c=a22arcsin⁡xa+a22⋅xa⋅1−x2a2+C=a22arcsin⁡xa+x2a2−x2+c
Example

例8 求 ∫dxx(1−x).

Solution

法I.配方

原式=∫d(x−12)(12)2−(x−12)2=arcsin⁡(2x−1)

或:

法II.灵机一动
注意到: sin2⁡x+cosx=x+(1−x)=1
令 x=sin2⁡t,t∈(0,π2)

∴ 原式 =∫2sin⁡tcos⁡tdtsin2⁡tcos2⁡t=2∫dt=2t+C=2arcsin⁡x+C

Tip
上述例子很好地说明了原函数可不唯一(C不同)

#倒数代换
分母含因子 x 时, 可用倒代换 x=1/t.

Example

例9 求 ∫dxxx2+x+1.

Solution

=t>0x=1/t∫−1t2dt1t1t2+1t+1=−∫dt1+t+t2=−∫d(t+12)(t+12)2+34=−ln⁡|t+12+1+t+t2|+C=−ln⁡|1x+12+x2+x+1x|+C

三、分部积分法

若 u′(x),v′(x) 连续, 则

∫u(x)v′(x)dx=u(x)v(x)−∫v(x)u′(x)dx.

Proof

(u(x)v(x))′=u′(x)v(x)+u(x)v′(x) 有 ∫[u′(x)v(x)+u(x)v′(x)]=u(x)v(x)+c 即: ∫u(x)dv(x)=u(x)v(x)−∫v(x)du(x)
例题
Example

例 10 求 ∫ln⁡x dx.

Solution

=xln⁡x−∫xdln⁡x=xln⁡x−∫x⋅1xdx=xln⁡x−x+C
Example

例11 求 I=∫exsin⁡x dx.

Solution

I=∫exsin⁡x dxex,dx合并=∫sin⁡xdex分部积分=exsin⁡x−∫exdsin⁡xex,dx合并=exsin⁡x−∫cos⁡xdex分部积分=exsin⁡x−excos⁡x+∫exdcos⁡x=ex(sin⁡x−cos⁡x)−∫sin⁡xdex⏟∴I=ex(sin⁡x−cos⁡x)−I∴2I=ex(sin⁡x−cos⁡x)+CI=12ex(sin⁡x−cos⁡x)+C
Example

例12 求 In=∫dx(x2+a2)n,(a>0,n∈N).

Solution

In=α(x2+a2)n−(−2∫(x2+a2−a2(x2+a2)n+1dx)=x(x2+a2)+2nIn−2na2In+1⇒In=x2na2(x2+a2)n+2n−12na2In

其中: I1=1aarctan⁡xa

Example

例13 求 ∫xex(1+ex)−32 dx.

Solution

I=∫x(1+ex)−32d(ex+1)=−2∫xd(1+ex)−12=−2x1+ex+2∫11+exdx 其中 ∫11+exdx

故原式 =−2x1+ex+2∫11+e2dx

=−2x1+e−2+ln⁡|10x−1−11+c2+1|+c

Intro

∫x(x2+1)3/2dx

Wolframalpha

Soution

Take the integral:∫x(x2+1)3/2dxFor the integrand x(x2+1)3/2,substitute u=x2+1 and du=2xdx:= 12∫1u3/2duThe integral of 1u3/2is −2u:= −1u+constantSubstitute back for u=x2+1:Answer:= −1x2+1+constant
Example

=>习题P154.3.(6) ∫xlog⁡(x)(x2+1)3/2dx

Wolframalpha

Solution

For the integrand xlog⁡(x)(x2+1)3/2,integrate by parts, ∫fdg=fg−∫gdf,where f=log⁡(x),dg=x(x2+1)32dx,df=1xdx,g=1x2+1:= −log⁡(x)x2+1+∫1xx2+1dxFor the integrand 1xx2+1,substitute x=tan⁡(u)and dx=sec2⁡(u)du.Then x2+1= tan2⁡(u)+1= sec⁡(u)and u=tan−1⁡(x):= −log⁡(x)x2+1+∫csc⁡(u)duMultiply numerator and denominator of csc⁡(u)by cot⁡(u)+csc⁡(u):= −log⁡(x)x2+1+∫−−cot⁡(u)csc⁡(u)−csc2⁡(u)cot⁡(u)+csc⁡(u)duFor the integrand −−cot⁡(u)csc⁡(u)−csc2⁡(u)cot⁡(u)+csc⁡(u),substitute s=cot⁡(u)+csc⁡(u)and ds=(−csc2⁡(u)−cot⁡(u)csc⁡(u))du:= −log⁡(x)x2+1+∫−1sdsFactor out constants:= −log⁡(x)x2+1−∫1sdsThe integral of 1sis log⁡(s):= −log⁡(s)−log⁡(x)x2+1+constantSubstitute back for s=cot⁡(u)+csc⁡(u):= −log⁡(cot⁡(u)+csc⁡(u))−log⁡(x)x2+1+constantSubstitute back for u=tan−1⁡(x):= −log⁡(x)x2+1−log⁡(cot⁡(tan−1⁡(x))+csc⁡(tan−1⁡(x)))+constantSimplify using cot⁡(tan−1⁡(z))=1zand csc⁡(tan−1⁡(z))=z2+1z:= −log⁡(x)x2+1−log⁡(x2+1+1x)+constantAn alternative form of the integral is:= −log⁡(x)x2+1−csch−1(x)+constantWhich is equivalent for restricted xvalues to:Answer:= −log⁡(x)x2+1−log⁡(x2+1+1)+log⁡(x)+constant

TIP
实际上可以使用 #三角代换 x=tan⁡t 配合 #万能变换 u=tan⁡(t/2)
简略过程如下:
令x=tan⁡t,|t|<π2

原式=⋯+∫1tan2t+1tan⁡tdt=∫csc⁡t dt