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不定积分(indefinite integral)

反思一下你漏洞百出的数理基础!

提示

不定积分被定义为原函数的全体

原函数存在定理

  • f(x)在区间I上连续,则f(x)在I上一定存在原函数
  • f(x)在区间I上有第一类间断点,则f(x)在区间I上没有原函数
警告

如果f(x)有第二类间断点,也可以存在原函数。换句话说,f(x)存在原函数不能推出f(x)连续

另外因为原函数一定可导,所以原函数必连续

基本公式

我觉得反过来记比较好记,所以这里给出某些常见函数的导数

注意

但是求原函数别忘了加常数C


tan x=sec2xcot x=csc2xsec x=sec xtan xcsc x=csc xcot xtan\ x'=sec^2x\\cot\ x'=-csc^2x\\sec\ x'=sec\ xtan\ x\\csc\ x'=-csc\ xcot\ x\\

arcsin x=11x2arctan x=11+x2arcsin\ x'=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\\ arctan\ x'=\frac{1}{1+x^2}\\

(arcsin xa)=1a2x2(arctan xa)=aa2+x2(arcsin\ \frac{x}{a})'=\frac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}\\ (arctan\ \frac{x}{a})'=\frac{a}{a^2+x^2}\\
备注

注意arctan的分子还有个a


sec xdx=lnsec x+tan x+Ccsc xdx=lncsc x+cot x+C\int sec\ xdx=ln|sec\ x+tan\ x|+C\\ \int csc\ xdx=-ln|csc\ x+cot\ x|+C\\

固定套路

说明

下面的题目出自2024版武忠祥 高等数学基础篇 和 基础过关660题

1. 换元法

  • 某部分明显是某一函数的导数

  • 代换式中带根号部分

尝试一下:

2x3+2xx2dx\int \frac{2-x}{\sqrt{3+2x-x^2}}dx

提示:令m=x-1,对形如xax2+bdx\int\frac{x}{\sqrt{ax^2+b}}dx的形式要敏感,x可以拿到dx里变成12xdx=dx2\frac{1}{2}xdx=dx^2


32x3+2xdx\int \sqrt{\frac{3-2x}{3+2x}}dx

提示:直接令t=32x3+2xt=\sqrt{\frac{3-2x}{3+2x}},代换后只剩下关于t的多项式了


1+exdx\int \sqrt{1+e^x}dx

提示:直接令t=1+ext=\sqrt{1+e^x},则x=ln(t21)x=ln(t^2-1),代换后也只剩下关于t的多项式了

注意

上面的第二小问是形如

R(x,ax+bcx+dn)dx\int R\left(x,\sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}}\right)dx

的简单无理函数积分,统一方法就是用t直接替换。一般根号里的分式是齐次的时候会比较好解。

  • 含有a2x2\sqrt{a^2-x^2},则令x=asintx=asintx=acos tx=acos\ t,则原式=acos tacos\ tdx=acos t dtdx=acos\ t\ dt
  • 含有a2+x2\sqrt{a^2+x^2},则令x=atan tx=atan\ t,则原式=asec tasec\ tdx=asec2t dtdx=asec^2t\ dt
  • 含有x2a2\sqrt{x^2-a^2},则令x=asec tx=asec\ t,则原式=atan tatan\ tdx=asec t tan t dtdx=asec\ t\ tan\ t\ dt

尝试一下:

x2a2x2dx\int \frac{x^2}{\sqrt{a^2-x^2}}dx

x2+a2x2dx\int \frac{\sqrt{x^2+a^2}}{x^2}dx

x2a2xdx\int \frac{\sqrt{x^2-a^2}}{x}dx

2. 分部积分法

信息

重点在于凑出导数

  • 多项式与e指数、sinaxsinaxcosaxcosax相乘,把后者放入dx
  • e指数与sinaxsinaxcosaxcosax相乘,把e指数凑入dx
  • 多项式与lnxlnxarcsinxarcsinxarctanxarctanx,把多项式凑入dx

尝试一下:

ln x(1x2)dx\int \frac{ln\ x}{(1-x^2)}dx

ln sinxsin2xdx\int \frac{ln\ sinx}{sin^2x}dx

3. 有理多项式分式的拆分

信息

使用留数法计算各项系数可以大幅简化计算

留数法实现有理分式拆分原理 - 知乎 (zhihu.com)

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4. 有理三角函数分式的积分

  • R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx)R(-sinx,cosx)=-R(sinx,cosx),则凑dcosxdcosx
  • R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx)R(sinx,-cosx)=-R(sinx,cosx),则凑dsinxdsinx
  • R(sinx,cosx)=R(sinx,cosx)R(-sinx,-cosx)=R(sinx,cosx),则凑dtanxdtanx

补充题目

例1:I1=cos4xdxI_1=\int cos^4xdxI2=sin4xdxI_2=\int sin^4xdx,求I1I_1I2I_2

方法一:先算I1+I2I_1+I_2I1I2I_1-I_2,再分别算I1I_1I2I_2

方法二:用二倍角公式两次展开

例2:计算ln(1+1+xx)dx\int ln\left(1+\sqrt\frac{1+x}{x}\right)dx

提示:令t=1+xxt=\sqrt\frac{1+x}{x},转换成多项式乘ln的形式,再利用分部积分把ln去掉