MA.Add.02.积佬修炼手册

../res/无标题.png

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;

    • P.S. ln⁡x 的定义域为 x>0, 1x 的定义域为 x≠0 故需要绝对值
    • ∫1ax+bdx=ln⁡|ax+b|a+C
  4. ∫ax dx=axln⁡a+C(0<a≠1);

    • P.S. (ax)′=ln⁡a⋅ax
  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|+C
  9. ∫csc2⁡x dx=−cot⁡x+C;

    • ∫csc⁡xdx=−ln⁡|csc⁡x+cot⁡x|+C=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

部分积分推导

∫1x2+a2dx=1aarctan⁡xa+C "AA"

Tips

(arctan⁡x)′=11+x2

(1aarctan⁡xa)′=1a⋅1a11+(xa)2=1a2+x2

Solution

Assuming a>0=1a2∫11+(xa)2dx=1a∫d(xa)1+(xa)2=1aarctan⁡xa+C

∫1x2−a2dx=12aln⁡|x−ax+a|+C 1/2a ∓

Tips

凑2a⟹1x−a−1x+a⟹x−ax+a

Solution

Assuming a≠0=∫1(x+a)(x−a)dx=12a(∫1x−adx−∫1x+adx)=12a(ln⁡|x−a|−ln⁡|x+a|)+C=12aln⁡|x−ax+a|+C

∫1a2−x2dx=12aln⁡|x+ax−a|+C

Solution

类似地

=−∫1x2−a2dx=−12aln⁡|x−ax+a|+C=12aln⁡|x+ax−a|+C′

∫1a2−x2dx=arcsin⁡(xa)+C

Tips

(arcsin⁡x)′=11−x2

(arccos⁡x)′=−11−x2

Solution
类似 ∫1x2+a2dx

Assuming a>0∫1a2−x2=1a∫11−(xa)2dx=∫11−(xa)2d(xa)=arcsin⁡(xa)+C

∫1x2±a2dx=∫sec⁡tdt=ln⁡|xa+x2±a2a|+C ▲ (b + c) / a

∫1x2−a2dx

Tips

#三角代换

对边:x2−a2
邻边:a
斜边:x

Solution

∫1x2−a2dx=x=asec⁡t∫1atan⁡td(asec⁡t)0<t<π2=∫1tan⁡ttdsec⁡t=∫1tan⁡tsec⁡ttan⁡tdt=∫sec⁡tdt=ln⁡|sec⁡t+tan⁡t|+C=ln⁡|xa+x2−a2a|+C★ 还原

∫1x2+a2dx

Tips

#三角代换

对边:x
邻边:a
斜边:x2+a2

Solution

∫1x2+a2dx=x=atan⁡t∫1asec⁡td(atan⁡t)=∫1sec⁡tsec2⁡tdx=∫sec⁡tdt同上=ln⁡|xa+x2+a2a|+C★ 还原

综上

∫1x2±a2dx=ln⁡|xa+x2±a2a|+C

三角形两个边比a相加

∫tan⁡xdx

Solution

=∫sin⁡xcos⁡xdx=−∫1cos⁡xdcos⁡x=−ln⁡|cos⁡x|+C

∫sec⁡xdx=ln⁡|sec⁡x+tan⁡x|+C 10'(ten sec)

Solution.I
最快,不自然

=∫sec⁡x⋅(sec⁡x+tan⁡x)sec⁡x+tan⁡xdx∵ (sec⁡x+tan⁡x)′=sin⁡xcos2⁡x+1cos2⁡x=sec⁡x⋅(sec⁡x+tan⁡x)=∫d(sec⁡x+tan⁡x)sec⁡x+tan⁡x=ln⁡|sec⁡x+tan⁡x|+C

Solution.II
较快, #凑微分法

=∫cos⁡xcos2⁡xdx=−∫dsin⁡x1−sin2⁡xdx=−12ln⁡(1+sin⁡x1−sin⁡x)+C

∫csc⁡xdx=−ln⁡|csc⁡x+cot⁡x|+C

Solution.I

=∫−csc⁡x⋅−(csc⁡x+cot⁡x)csc⁡x+cot⁡xdx∵ (csc⁡x+cot⁡x)′=−csc⁡x⋅(csc⁡x+cot⁡x)=−∫d(csc⁡x+cot⁡x)csc⁡x+cot⁡xdx=−ln⁡|csc⁡x+cot⁡x|+C=−ln⁡|tan⁡x2|

Solution.II

同上,=−12ln⁡(1+cos⁡x1−cos⁡x)

I(m,n)=∫cosm⁡xsinn⁡xdx

Solution
#分部积分法 + 递推构造

I(m,n)=−1m+1∫sinn−1⁡xd(cosm+1⁡x)=−1m+1(sinn−1⁡xcosm+1⁡x−∫cosm+1⁡xdsinn−1⁡x)…分部积分=−1m+1sinn−1⁡xcosm+1⁡x+n−1m+1∫sinn−2⁡xcosm+2⁡xdx=−1m+1sinn−1⁡xcosm+1⁡x+n−1m+1sinn−2⁡xcosm⁡x(1−sin2⁡x)dx=−1m+1sinn−1⁡xcosm+1⁡x+n−1m+1sinn−2⁡xcosm⁡xdx+1−nm+1∫sinn⁡xcosm⁡xdx∴ m+nm+1I(m,n)=−1m+1sinn−1⁡xcosm+1⁡x+n−1m+1I(m,n−2)⟹I(m,n)=−1m+nsinn−1⁡xcosm+1⁡x+n−1m+nI(m,n−2)(m≥0,n≥2)同理: I(m,n)=−1m+ncosm−1⁡xsinn+1⁡x+m−1m+nI(m−2,n)(m≥2,n≥0)

Reduction Formulae

The reduction formulae for the sine function and the cosine function to an unspecific (integer) degree are:

In=∫sinn⁡(ax)dx=−sinn−1⁡(ax)cos⁡(ax)an+n−1nIn−2Jn=∫cosn⁡(ax)dx=sin⁡(ax)cosn−1⁡(ax)an+n−1nJn−2

As a particular case of their products and quotients:

Kn=∫tann⁡(ax)dx=tann−1⁡(ax)a(n−1)−Kn−2

Memorization

In=∫sinn(ax)dx=−sinn−1(ax)cos⁡(ax)na+n−1nIn−2Jn=∫cosn(ax)dx=cosn−1(ax)sin⁡(ax)na+n−1nJn−2

∫secn⁡xdx

Quiz 2 部分过程

In=∫secn⁡xdx=∫secn−2⁡xsec2⁡xdx=secn−2⁡tan⁡x−∫tan⁡x(n−2)secn−3⁡xtan⁡xsec⁡xdx=secn−2⁡tan⁡x−(n−2)∫secn−2⁡xtan2⁡x=secn−2⁡tan⁡x−(n−2)∫secn−2⁡x(sec2⁡x−1)dx=secn−2⁡tan⁡x−(n−2)∫secn⁡xdx+(n−2)∫secn−2⁡xdx

将右边 (n−2)∫secn⁡xdx 移项到左边,我们得到

(n−1)In=secn−2⁡tan⁡x+(n−2)In−2

也就是

In=1n−1secn−2⁡tan⁡x+n−2n−1In−2

再由

∫sec⁡xdx=ln⁡|tan⁡x+sec⁡x|+C

和

∫sec2⁡xdx=tan⁡x+C

就可以求出积分。例如


典题整理

不定积分

∫arctan⁡xx2(x2+1)dx

来源: 作业题

Analysis

#分部积分法

Hint

  1. 裂项 1x2(x2+1)=1x2−1x2+1
  2. (−1x−arctan⁡x)′=1x2−1x2+1
  3. 1x3+x=(x2+1)−x⋅xx(x2+1)=1x−xx2+1
  4. ∫xx2+1dx⟹12∫1x2+1d(x2+1)

Solution

../res/4d7255c501ddd002282f09ee53725eeb.jpeg

∫x+sin⁡xcos⁡x+1dx

来源: 作业题

Analysis

Hint

  1. 分子加法:拆分
  2. #凑微分法 (cos⁡x+1)′=sin⁡x
  3. 分母 cos⁡x+1 => 二倍角/半角公式消成单一项

Solution

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I15=∫ex(1−e−xx)dx.

来源: 微积分每日一题3-187:求不定积分基础26题第15题

Analysis

本题考查最基本的积分表运算

Solution

I15=∫ex(1−e−xx)dx=∫(ex−ex⋅e−xx)dx=∫ex dx−∫1x dx=ex−2∫dx2x=ex−2∫d(x)=ex−2x+C.

Wrong Answer

∫exde−xx≠∫1d1x

不能在分式上挪 ex !


#凑微分法

∫dx1+x4

来源: 较难积分题.pdf

Analysis

运用 #添项 和分式中经典的 #凑微分法

Solution

∫dx1+x4=12∫(1+x2)−(x2−1)1+x4 dx…经典添项=12∫1+x21+x4 dx−12∫x2−11+x4 dx=12∫1+1x2x2+1x2 dx−12∫1−1x2x2+1x2 dx…经典凑微分=12∫d(x−1x)x2+1x2−12∫d(x+1x)x2+1x2=12∫d(x−1x)(x−1x)2+2−12∫d(x+1x)(x+1x)2−2=122arctan⁡x−1x2−142ln⁡|x+1x−2x+1x+2|+C=24arctan⁡x2−12x−28ln⁡|x2−2x+1x2+2x+1|+C.

求不定积分: I=∫dx1+x20232023(1+x2023).

微积分每日一题3-109:不定积分凑微分法练习

Analysis

利用 #凑微分法 即可求解.

Solution

I=∫dx1+x20232023(1+x2023)=∫dx(1+x2023)12023⋅(1+x2023)=∫dx(1+x2023)12023+1=∫dx[x2023(1x2023+1)]20242023=∫dx(1+x−2023)20242023⋅x2024=∫x−2024(1+x−2023)20242023 dx=∫(−12023)1(1+x−2023)20242023 d(x−2023)=−12023∫(1+x−2023)−20242023 d(1+x−2023)=u=1+x−2023−1−12023∫u−20242023 du=−12023⋅1−20242023+1⋅u−20242023+1+C=−12023⋅(1−20242023)⋅u−12023+C=−12023−2024⋅(1+x−2023)−12023+C=−(−1)⋅(1+x−2023)−12023+C=(1+x−2023)−12023+C.

#换元积分法

∫1+∞1xx−1dx

来源: Chap 5.4 3.(1)

Solution

=t=x−1∫0+∞1(t2+1)td(t2+1)=∫0+∞1t2+1dt=2arctan⁡x−1

∫x−1arctan⁡x−1xdx

来源: 作业题

Solution

∫x−1arctan⁡x−1xdx 设 u=x−1, 则 x=u2+1,dx=2udu 原式 =∫uarctan⁡uu2+1⋅2udu=2∫u2arctan⁡uu2+1du=2∫arctan⁡udu−2∫arctan⁡uu2+1du=2uarctan⁡u−2∫uu2+1du−2∫arctan⁡ud(arctan⁡u)=2uarctan⁡u−∫1u2+1d(u2)−(arctan⁡u)2=2uarctan⁡u−ln⁡(u2+1)−(arctan⁡u)2+c=2x−1arctan⁡x−1−(arctan⁡x−1)2−ln⁡x+c

🔴∫0π4tan⁡x dx

Chap 5.1 P190 22.(9)

Solution #换元积分法

=t=tan⁡x∫01tdarctan⁡t=m=t∫01mdarctan⁡m2=∫012m21+m4dm=∫01m2−11+m4dm+∫01m2+11+mφdm=∫011−1m2m2+1m2dm+∫011+1m2m2+1m2dm=∫01d(m+1m)m2+1m2+∫01d(m−1m)m2+1m2=∫01d(m+1m)(m+1m)2−2+∫01d(m−1m)(m−1m)2+2=122ln⁡|m+1m−2m+1m+2||01+12arctan⁡m−1m2|01∵ limm→0+(1−22m+1m+2)=1−limm→0+22mm2+2m+1=1limm→0+(m−1m)0=limm→0+m−limm→0+1m=−∞∴ =122(ln⁡2−22+2−0)+12(arctan⁡0−arctan−∞)=122ln⁡(3−22)+12(0+π2)=22ln⁡(2−1)+2π4≈0.4875

反向乘积求导公式与反向商的求导公式

来自:SUDO Edu

反向乘积的导数

我们知道,两个函数的乘积的导数为

(f(x)⋅g(x))′=f′(x)⋅g(x)+f(x)⋅g′(x)

所以

∫f′(x)⋅g(x)+f(x)⋅g′(x)dx=f(x)⋅g(x)+C
例1 求积分 ∫(1ln⁡x+ln⁡(ln⁡x))dx.

解: 分开来算,这两个积分都算不出来。但仔细观察, (ln⁡(ln⁡x))′=1xln⁡x ,与第一项差了一个因子 1x ,所以将 ln⁡(ln⁡x) 乘以 x ,再求导,正好了被积分函数,所以

∫(1ln⁡x+ln⁡(ln⁡x))dx=∫[xln⁡(ln⁡x)]′dx=xln⁡(ln⁡x)+C

反向商的求导公式

商的求导公式为

(f(x)g(x))′=f′(x)g(x)−f(x)g′(x)g2(x)

所以

∫f′(x)g(x)−f(x)g′(x)g2(x)=f(x)g(x)+C

如果一个被积分函数的分母为一个函数的平方,我们可以通过商的求导公式凑出 f(x) ,然后利用反向商的求导公式求出积分。

例2 求积分 ∫sin2⁡x(xcos⁡x−sin⁡x)2dx.

解: 因为分母是一个函数的平方,看起来还有点复杂,我们来“凑”出一个商的求导公式。因为分母为 (xcos⁡x−sin⁡x)2 ,所以令 g(x)=xcos⁡x−sin⁡x,g′(x)=cos⁡x−xsin⁡x−cos⁡x=−xsin⁡x ,

f′(x)g(x)−f(x)g′(x)=f′(x)g(x)−f(x)g′(x)=f′(x)⋅(xcos⁡x−sin⁡x)−f(x)⋅(−xsin⁡x)=f′(x)⋅x⋅cos⁡x−f′(x)sin⁡x+f(x)⋅x⋅sin⁡x=sin2⁡x

因为右边只有 sin2⁡x ,一个直观的猜想是 −f′(x)sin⁡x=sin2⁡x ,也就是 f(x)=cos⁡x ,而另外两项为 0 。将 f(x)=cos⁡x 代入上式,

f′(x)⋅x⋅cos⁡x+f(x)⋅x⋅sin⁡x=−sin⁡x⋅x⋅cos⁡x+cos⁡x⋅x⋅sin⁡x=0

所以,原积分为

∫sin2⁡x(xcos⁡x−sin⁡x)2dx=∫(cos⁡xxcos⁡x−sin⁡x)′dx=cos⁡xxcos⁡x−sin⁡x+C

练习题

最后,给出几个习题供有兴趣的同学们练习。
求积分
(1) ∫(xsec2⁡x+tan⁡x)dx
(2) ∫xx(ln⁡x+1)dx
(3) ∫esin⁡x(x2cos⁡x+2x)dx
(4) ∫ln⁡xx2(1−ln⁡x)2dx
(5) ∫sin⁡x−xcos⁡x−cossin2⁡x


定积分

∫−11e|x|⋅arctan⁡exdx

Solution

(13)∫−11e|x|⋅arctan⁡exdx;=∫−10exarctan⁡xexdx+∫01exarctan⁡exdx…分离去绝对值=∫−10e−x(π2−arctan⁡e−xdx)+∫01exarctan⁡exdx=π2∫−10e−xdx−∫−10e−xarctan⁡e−xdx+∫01exarctan⁡exdx=π2⋅(e−1)+∫−10arctan⁡e−xd(e−x)+∫01arctan⁡exd(ex).=π2(e−1)

∫0π2tan⁡xdx

Solution

∫0π2tan⁡xdx=2(∫01+∫1+∞)x21+x4dx=2∫01x21+x4dx+2∫0111+x4dx=2∫01d(x−1x)(x−1x)2+2=2∫−∞0dxx2+2=π2.

∫01xarcsin⁡xdx

Analysis

#分部积分法 + #三角代换

Solution

u=arcsin⁡xv′=xu′=11−x2v=x22∫xarcsin⁡xdx=x22arcsin⁡x−12∫x21−x2dx. 第二类换元  故 x=sin⁡t.⇒dx=cos⁡tdt(t=arcsin⁡x),x∈[0,1]⇒t∈[0,π2]∫x21−x2dx=x=sin⁡t∫sin2⁡tcos⁡tdsin⁡t=∫sin2⁡tdt=∫(12−12cos⁡2t)dt=12t−sin⁡2t4+C∴ ∫xarcsin⁡xdx=x22arcsin⁡x|01−12[12t−sin⁡2t4]|0π/2=π4−12(π4−0). =π8

变上限积分及求导

limx→01sin3⁡x∫0tan⁡xarcsin⁡t2 dt

Solution

=limx→∞∫0tan⁡xarcsin⁡t2dtsin3⁡x=limx→0arcsin⁡(tan2⁡x)3sin2⁡xcos2⁡xcos2⁡x=limx→0arcsin⁡x3x2cos3⁡x=limx→−∞x23x2=13

结合 #积分/中值定理

积分/中值定理

设 f∈C[a,b], 则 ∃ξ∈[a,b] 使得

∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
积分/中值定理/推广 AKA.积分第一中值公式

∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx, ξ∈[a,b]

求 (1)limn→∞∫01xn1+x dx,

Analysis

#积分/中值定理/推广

Solution

(1) 由积分中值定理推广 ∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx 可知

∫0111+x⋅xn dx=11+ξ∫01xn dx,0⩽ξ⩽1.

又

limn→∞∫01xn dx=limn→∞1n+1=0 且 12⩽11+ξ⩽1,

故

limn→∞∫01xn1+x dx=0

求 (2)limn→∞∫nn+psin⁡xx dx,p 为自然数. 

Solution

(2)利用积分中值定理.
设 f(x)=sin⁡xx, 显然 f(x) 在 [n,n+p] 上连续, 由积分中值定理得

∫nn+psin⁡xx dx=sin⁡ξξ⋅p,ξ∈[n,n+p],

当 n→∞ 时, ξ→∞, 而 |sin⁡ξ|⩽1, 故

limn→∞∫nn+psin⁡xx dx=limξ→∞sin⁡ξξ⋅p=0.

结合 #Wallis公式 🥧EVENPIE~

Wallis 公式

In={n−1n⋅n−3n−2⋅⋯⋅12I0=(n−1)!!n!!⋅π2,n is evenn−1n⋅n−3n−2⋅⋯⋅12I1=(n−1)!!n!!,n is odd

Example

例16 证明 #Wallis公式

Proof

In=−∫0π/2sinn−1⁡xdcos⁡x=−sinn−1⁡xcos⁡x|0π/2+(n−1)∫0π/2cos2⁡xsinn−2⁡xdx=(n−1)∫0π/2sinn−2⁡x(1−sin2⁡x)dx=(n−1)(In−2−In)⟹In=n−1nIn−2, 其中 I0=π2, I1=∫0π/2sin⁡xdx=1⟹In={n−1n⋅n−3n−2⋅⋯⋅12I0=(n−1)!!n!!⋅π2,n is evenn−1n⋅n−3n−2⋅⋯⋅12I1=(n−1)!!n!!⋅1,n is odd

P.S. !! - 双阶乘

∫−π2π211+excos3⁡x dx

Solution

⇒f(−x)=11+e−xcos3⁡x=exex+1cos3⁡x∴f(−x)+f(x)=cos3⁡x. ∴原式=12×2∫0π2cos3⁡x=2!!3!!=23×1:23 (Wallis) 

证明部分

积分第一中值公式 ∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx

作业题

Question

证明 (积分第一中值公式) 若 f(x) 是 [a,b] 上的连续函数, g(x) 是 [a,b] 上的非负可积函数, 则存在 ξ∈[a,b], 使得

∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx.

Proof

记 f([a,b])=[c,d], 易知 f有界

cg(x)⩽f(x)g(x)⩽dg(x), a. e. x∈[a,b].

将上式积分, 我们有

c∫abg(x)dx⩽∫abf(x)g(x)dx⩽d∫abg(x)dx.

若 I=∫abg(x)dx>0, 则用它来除上式两端可得

c⩽∫abf(x)g(x)dxI⩽d.

由 f(x) 的 #闭区间连续函数介值性 可知, 存在 ξ∈[a,b], 使得

f(ξ)=∫abf(x)g(x)dx∫abg(x)dx.

此即 (5.14) 式.
若 I=0, 则 g(x)=0, a. e. x∈[a,b], 从而 (5.14) 式两端皆为零. 此时 ξ 可任意地选取.

∫0πxf(sin⁡x)dx=π∫0π2f(sin⁡x)dx,

Question

23. 设 f(x) 在 [0,1] 上连续, 证明:

∫0πxf(sin⁡x)dx=π∫0π2f(sin⁡x)dx,

并用这一结果计算 ∫0πxsin⁡x1+cos2⁡x dx.

Solution

 Let x=π−u⇒sin⁡x=sin⁡u LHS =∫π0(π−u)f(sin⁡u)d(π−u)=∫0π(π−u)f(sin⁡u)du=π∫0πf(sin⁡u)du−∫0πuf(sin⁡u)du⇒2∫0πxf(sin⁡x)dx=π∫0πf(sin⁡u)du∵sin⁡x 关于 x=π2 对称 ∴∫0π/2f(sin⁡(u))du=∫π/2πf(sin⁡(u)du∫0πxf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡u)du=π2(∫0π/2f(sin⁡u)du+∫π/2πf(sin⁡u)du)=2∫0π/2f(sin⁡u)du