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0402换元积分法-不定积分

文章目录

    • 1 第一类换元法
      • 1.1 定理1
      • 1.2 例题
      • 1.2 常见凑微分形式
        • 1.2.1常见基本的导数公式的逆运算
        • 1.2.2被积函数含有三角函数
    • 2 第二类换元法
      • 2.1 定理2
      • 2.2 常见第二换元代换方法
        • 2.2.1 三角代换-弦代换
        • 2.2.2 三角代换-切代换
        • 2.2.3 三角代换-割代换
        • 2.2.4 三角代换汇总
        • 2.2.5 倒代换
        • 2.2.6 根式代换
    • 3 积分推导公式
    • 后记

把复合函数的微分法反过来用于求不定积分,利用中间变量的代换,得到复合函数的积分法,称为换元积分法。换元法分为两类。

1 第一类换元法

1.1 定理1

f(u)f(u)f(u)具有原函数F(u)F(u)F(u),即

F′(u)=f(u),∫f(u)du=F(u)+CF^{'}(u)=f(u),\int{f(u)du}=F(u)+CF(u)=f(u),f(u)du=F(u)+C

如果u是中间变量:u=ϕ(x),且设ϕ(x)u=\phi(x),且设\phi(x)u=ϕ(x),且设ϕ(x)可微,那么根据复合函数微分法,有

dF[ϕ(x)]=f[ϕ(x)]ϕ′(x)dxdF[\phi(x)]=f[\phi(x)]\phi^{'}(x)dxdF[ϕ(x)]=f[ϕ(x)]ϕ(x)dx,

根据不定积分的定义就得

∫f[ϕ(x)]ϕ′(x)dx=F[ϕ(x)]+C=[∫f(u)du]u=ϕ(x)\int{f[\phi(x)]\phi^{'}(x)dx}=F[\phi(x)]+C=[\int{f(u)du}]_{u=\phi(x)}f[ϕ(x)]ϕ(x)dx=F[ϕ(x)]+C=[f(u)du]u=ϕ(x)

定理1 设f(u)f(u)f(u)具有原函数,u=ϕ(x)u=\phi(x)u=ϕ(x)可导,则有换元公式

∫f[ϕ(x)]ϕ′(x)dx=[∫f(u)du]u=ϕ(x)\int{f[\phi(x)]\phi^{'}(x)dx}=[\int{f(u)du}]_{u=\phi(x)}f[ϕ(x)]ϕ(x)dx=[f(u)du]u=ϕ(x)

1.2 例题

例1 求∫13+2xdx\int{\frac{1}{3+2x}dx}3+2x1dx
解:∫13+2xdx=12∫13+2xd(3+2x)=12ln⁡∣3+2x∣+C解:\\ \int{\frac{1}{3+2x}dx}=\frac{1}{2}\int{\frac{1}{3+2x}d(3+2x)}=\frac{1}{2}\ln|3+2x|+C 解:3+2x1dx=213+2x1d(3+2x)=21ln∣3+2x+C
例2 求∫x2(x+2)3dx\int{\frac{x^2}{(x+2)^3}dx}(x+2)3x2dx

注:分式积分,分母越简单越易积
解:令u=x+2,x=u−2∫x2(x+2)3dx=∫(u−2)2u3du=∫1udu−∫4u2du+∫4u3du=ln⁡∣x+2∣+4x+2−12(x+2)2+C解:\\ 令u=x+2,x=u-2 \\ \int{\frac{x^2}{(x+2)^3}dx}=\int{\frac{(u-2)^2}{u^3}du}\\ =\int{\frac{1}{u}du}-\int{\frac{4}{u^2}du}+\int{\frac{4}{u^3}du}\\ =\ln|x+2|+\frac{4}{x+2}-\frac{1}{2(x+2)^2}+C 解:u=x+2,x=u2(x+2)3x2dx=u3(u2)2du=u1duu24du+u34du=lnx+2∣+x+242(x+2)21+C

例3 求∫1a2+x2dx\int{\frac{1}{a^2+x^2}dx}a2+x21dx

解析:基本积分公式∫11+x2dx=arctan⁡x+C\int{\frac{1}{1+x^2}dx}=\arctan x+C1+x21dx=arctanx+C
解:∫1a2+x2dx=1a2∫11+(xa)2dx=1a∫11+(xa)2d(xa)=1aarctan⁡xa+C解:\\ \int{\frac{1}{a^2+x^2}dx}=\frac{1}{a^2}\int{\frac{1}{1+(\frac{x}{a})^2}dx}\\ =\frac{1}{a}\int{\frac{1}{1+(\frac{x}{a})^2}d(\frac{x}{a})}=\frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a}+C :a2+x21dx=a211+(ax)21dx=a11+(ax)21d(ax)=a1arctanax+C

例4 求∫1x2−a2dx\int{\frac{1}{x^2-a^2}dx}x2a21dx

注:裂项公式,分母为两个一次项乘积形式1(x+a)(x+b)=1b−a(1x+a−1x+b)\frac{1}{(x+a)(x+b)}=\frac{1}{b-a}(\frac{1}{x+a}-\frac{1}{x+b})(x+a)(x+b)1=ba1(x+a1x+b1)
解:∫1x2−a2dx=12a[∫1x−ad(x−a)−∫1x+ad(x+a)]=12a(ln⁡∣x−a∣−ln⁡∣x+a∣)+C=12aln⁡∣x−ax+a∣+C解:\\ \int{\frac{1}{x^2-a^2}dx}=\frac{1}{2a}[\int{\frac{1}{x-a}d(x-a)}-\int{\frac{1}{x+a}d(x+a)}]\\ =\frac{1}{2a}(\ln|x-a|-\ln|x+a|)+C=\frac{1}{2a}\ln|\frac{x-a}{x+a}|+C :x2a21dx=2a1[xa1d(xa)x+a1d(x+a)]=2a1(lnxalnx+a)+C=2a1lnx+axa+C

例5 求∫dxx(1+2ln⁡x)\int{\frac{dx}{x(1+2\ln x)}}x(1+2lnx)dx

解析:(ln⁡x)′=1x(\ln x)^{'}=\frac{1}{x}(lnx)=x1
解:∫dxx(1+2ln⁡x)=12∫d(1+2ln⁡x)1+2ln⁡x=12ln⁡∣1+2ln⁡x∣+C解:\\ \int{\frac{dx}{x(1+2\ln x)}}=\frac{1}{2}\int{\frac{d(1+2\ln x)}{1+2\ln x}}\\ =\frac{1}{2}\ln|1+2\ln x|+C :x(1+2lnx)dx=211+2lnxd(1+2lnx)=21ln∣1+2lnx+C

例6 求∫e3xxdx\int{\frac{e^{3\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}dx}xe3xdx

解析:(x)′=12⋅1x(\sqrt{x})^{'}=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{\sqrt{x}}(x)=21x1
解:∫e3xxdx=23∫e3xd(3x)=23e3x+C解:\\ \int{\frac{e^{3\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}dx}=\frac{2}{3}\int{e^{3\sqrt{x}}d(3\sqrt{x})}\\ =\frac{2}{3}e^{3\sqrt{x}}+C :xe3xdx=32e3xd(3x)=32e3x+C

例7 求∫sin2xcos⁡5xdx\int{sin^2x\cos^5xdx}sin2xcos5xdx

解析:(sin⁡x)′=cos⁡x(cos⁡x)′=−sin⁡xsin⁡2x+cos⁡2x=1(\sin x)^{'}=\cos x\quad (\cos x)^{'}=-\sin x\quad \sin^2x+\cos^2x=1(sinx)=cosx(cosx)=sinxsin2x+cos2x=1
解:∫sin2xcos⁡5xdx=∫sin2xcos⁡4xd(sin⁡x)=∫sin2x(1−sin⁡2x)2d(sin⁡x)=∫(sin⁡6x−2sin⁡4x+sin⁡2x)d(sin⁡x)=17sin⁡7x−25sin⁡5x+13sin⁡3x+C解:\int{sin^2x\cos^5xdx}=\int{sin^2x\cos^4xd(\sin x)}\\ =\int{sin^2x(1-\sin^2x)^2d(\sin x)}=\int{(\sin^6x-2\sin^4x+\sin^2x)d(\sin x)}\\ =\frac{1}{7}\sin^7x-\frac{2}{5}\sin^5x+\frac{1}{3}\sin^3x+C 解:sin2xcos5xdx=sin2xcos4xd(sinx)=sin2x(1sin2x)2d(sinx)=(sin6x2sin4x+sin2x)d(sinx)=71sin7x52sin5x+31sin3x+C

一般地,对于sin⁡2k+1xcos⁡nx或sin⁡nxcos⁡2k+1x(其中k∈N)\sin^{2k+1}x\cos^nx或\sin^nx\cos^{2k+1}x(其中k\in N)sin2k+1xcosnxsinnxcos2k+1x(其中kN)型函数的积分,总可依次做变换u=cos⁡x或u=sin⁡xu=\cos x或u=\sin xu=cosxu=sinx,求得结果。

例8 求∫tan⁡xdx\int{\tan xdx}tanxdx
解:∫tan⁡xdx=∫sin⁡xcos⁡xdx=−∫1cos⁡xd(cos⁡x)=−ln⁡∣cos⁡x∣+C解:\int{\tan xdx}=\int{\frac{\sin x}{\cos x}dx}=-\int{\frac{1}{\cos x}d(\cos x)}\\ =-\ln|\cos x|+C 解:tanxdx=cosxsinxdx=cosx1d(cosx)=lncosx+C

类似可得∫cot⁡xdx=ln⁡∣sin⁡x∣+C\int{\cot xdx}=\ln|\sin x|+Ccotxdx=lnsinx+C

例9 求∫x3(x2−2x+2)\int{\frac{x^3}{(x^2-2x+2)}}(x22x+2)x3

1.2 常见凑微分形式

1.2.1常见基本的导数公式的逆运算

  1. ∫f(1x)⋅1x2dx=−∫f(1x)d1x\int{f(\frac{1}{x})\cdot\frac{1}{x^2}dx}=-\int{f(\frac{1}{x})d\frac{1}{x}}f(x1)x21dx=f(x1)dx1
  2. ∫f(x)1xdx=2∫f(x)dx\int{f(\sqrt{x})\frac{1}{\sqrt{x}}dx}=2\int{f(\sqrt{x})d\sqrt{x}}f(x)x1dx=2f(x)dx
  3. ∫f(sin⁡x)cos⁡xdx=∫f(sin⁡x)dsin⁡x\int{f(\sin x)\cos xdx}=\int{f(\sin x)d\sin x}f(sinx)cosxdx=f(sinx)dsinx
  4. ∫f(cos⁡x)sin⁡xdx=−∫f(cos⁡x)dcos⁡x\int{f(\cos x)\sin xdx}=-\int{f(\cos x)d\cos x}f(cosx)sinxdx=f(cosx)dcosx
  5. ∫f(ln⁡x)1xdx=∫f(ln⁡x)dln⁡x\int{f(\ln x)\frac{1}{x}dx}=\int{f(\ln x)d\ln x}f(lnx)x1dx=f(lnx)dlnx
  6. ∫f(xln⁡x)(1+ln⁡x)dx=∫f(xln⁡x)d(xln⁡x)\int{f(x\ln x)(1+\ln x)dx}=\int{f(x\ln x)d(x\ln x)}f(xlnx)(1+lnx)dx=f(xlnx)d(xlnx)
  7. ∫f(sec⁡x)sec⁡xtan⁡xdx=∫f(sec⁡x)dsec⁡x\int{f(\sec x)\sec x\tan xdx}=\int{f(\sec x)d\sec x}f(secx)secxtanxdx=f(secx)dsecx
  8. ∫f(csc⁡x)csc⁡xcot⁡xdx=−∫f(csc⁡x)dcsc⁡x\int{f(\csc x)\csc x\cot xdx}=-\int{f(\csc x)d\csc x}f(cscx)cscxcotxdx=f(cscx)dcscx
  9. ∫f(tan⁡x)sec⁡2xdx=∫f(tan⁡x)dtan⁡x\int{f(\tan x)\sec^2xdx}=\int{f(\tan x)d\tan x}f(tanx)sec2xdx=f(tanx)dtanx
  10. ∫f(cot⁡x)csc⁡2xdx=−∫f(cot⁡x)dcot⁡x\int{f(\cot x)\csc^2xdx}=-\int{f(\cot x)d\cot x}f(cotx)csc2xdx=f(cotx)dcotx
  11. ∫f(arcsin⁡x)11−x2dx=∫f(arcsin⁡x)darcsin⁡x\int{f(\arcsin x)\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx}=\int{f(\arcsin x)d\arcsin x}f(arcsinx)1x21dx=f(arcsinx)darcsinx
  12. ∫f(arctan⁡x)11+x2dx=∫f(arcsin⁡x)darctan⁡x\int{f(\arctan x)\frac{1}{1+x^2}dx}=\int{f(\arcsin x)d\arctan x}f(arctanx)1+x21dx=f(arcsinx)darctanx
  13. ∫f(ex)exdx=∫f(ex)dex\int{f(e^x)e^xdx}=\int{f(e^x)de^x}f(ex)exdx=f(ex)dex

1.2.2被积函数含有三角函数

常用的三角恒等式:

  1. sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2x+\cos^2x = 1sin2x+cos2x=1
  2. 1+tan⁡2x=sec⁡2x1+\tan^2x=\sec^2x1+tan2x=sec2x
  3. 1+cot⁡2x=csc⁡2x1+\cot^2x=\csc^2 x1+cot2x=csc2x
  4. 两角和差的三角公式
    1. cos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β±sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\pm\sin\alpha\sin\betacos(α±β)=cosαcosβ±sinαsinβ
    2. sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\betasin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ
  5. 2倍角公式,降幂公式
    1. cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alphacos2α=cos2αsin2α=2cos2α1=12sin2α
    2. sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alphasin2α=2sinαcosα
    3. cos⁡2α=12(1+cos⁡2α)\cos^2\alpha=\frac{1}{2}(1+\cos2\alpha)cos2α=21(1+cos2α)
    4. sin⁡2α=12(1−cos⁡2α)\sin^2\alpha=\frac{1}{2}(1-\cos2\alpha)sin2α=21(1cos2α)
  6. 积化和差,和差化积

在这里插入图片描述

一般地,对于sin⁡2k+1xcos⁡nx或sin⁡nxcos⁡2k+1x(其中k∈N)\sin^{2k+1}x\cos^nx或\sin^nx\cos^{2k+1}x(其中k\in N)sin2k+1xcosnxsinnxcos2k+1x(其中kN)型函数的积分,总可依次做变换u=cos⁡x或u=sin⁡xu=\cos x或u=\sin xu=cosxu=sinx,求得结果。

tan⁡nxsec⁡2kx或者tan⁡2k−1xsec⁡nx(n,k∈N+)\tan^nx\sec^{2k}x或者\tan^{2k-1}x\sec^nx(n,k\in N_+)tannxsec2kx或者tan2k1xsecnx(n,kN+)型积分,可依次做变换u=tan⁡x或u=sec⁡xu=\tan x或u=\sec xu=tanxu=secx

2 第二类换元法

2.1 定理2

x=ϕ(t)x=\phi(t)x=ϕ(t)是单调可导的函数,并且ϕ′(t)≠0.又设f[ϕ(t)]ϕ′(t)\phi^{'}(t)\not=0.又设f[\phi(t)]\phi^{'}(t)ϕ(t)=0.又设f[ϕ(t)]ϕ(t)具有原函数,则有换元公式

∫f(x)dx=[∫f[ϕ(t)]ϕ′(t)dt]t=ϕ−1(x)\int{f(x)dx}=[\int{f[\phi(t)]\phi^{'}(t)dt}]_{t=\phi^{-1}(x)}f(x)dx=[f[ϕ(t)]ϕ(t)dt]t=ϕ1(x)

其中ϕ−1(x)是x=ϕ(t)\phi^{-1}(x)是x=\phi(t)ϕ1(x)x=ϕ(t)的反函数。

证明:设f[ϕ(t)]ϕ′(t)的原函数为Φ(t),记Φ(t)=Φ[ϕ−1(x)]=F(x)利用复合函数和反函数的求导法则,有F′(x)=dΦdt⋅dtdx=f[ϕ(t)]ϕ′(t)⋅1ϕ′(t)=f(x)即F(x)是f(x)的原函数,所以有∫f(x)dx=F(x)+c=Φ[ϕ−1(x)]+C=[∫f[ϕ(t)]ϕ′(t)dt]t=ϕ−1(x)证明:\\ 设f[\phi(t)]\phi^{'}(t)的原函数为\Phi(t),记\Phi(t)=\Phi[\phi^{-1}(x)]=F(x)\\ 利用复合函数和反函数的求导法则,有\\ F^{'}(x)=\frac{d\Phi}{dt}\cdot\frac{dt}{dx}=f[\phi(t)]\phi^{'}(t)\cdot\frac{1}{\phi^{'}(t)}=f(x) \\ 即F(x)是f(x)的原函数,所以有 \\ \int{f(x)dx}=F(x)+c=\Phi[\phi^{-1}(x)]+C=[\int{f[\phi(t)]\phi^{'}(t)dt}]_{t=\phi^{-1}(x)} 证明:f[ϕ(t)]ϕ(t)的原函数为Φ(t),Φ(t)=Φ[ϕ1(x)]=F(x)利用复合函数和反函数的求导法则,有F(x)=dtdΦdxdt=f[ϕ(t)]ϕ(t)ϕ(t)1=f(x)F(x)f(x)的原函数,所以有f(x)dx=F(x)+c=Φ[ϕ1(x)]+C=[f[ϕ(t)]ϕ(t)dt]t=ϕ1(x)

注:

  1. 必须写出变量代换x=ϕ(t)x=\phi(t)x=ϕ(t)
  2. 必须替换微分dx=ϕ′(t)dtdx=\phi^{'}(t)dtdx=ϕ(t)dt
  3. 最后结果必须还原成原来积分变量t=ϕ−1(x)t=\phi^{-1}(x)t=ϕ1(x)

2.2 常见第二换元代换方法

  • 三角代换
  • 倒代换
  • 根式代换

2.2.1 三角代换-弦代换

正弦或者余弦代换

例1 求∫a2−x2dx(a>0)\int{\sqrt{a^2-x^2}dx}(a\gt0)a2x2dx(a>0)
解:令x=asin⁡t,−π2<t<π2a2−x2=acos⁡t,dx=acos⁡tdt∫a2−x2dx=∫acos⁡t⋅acos⁡tdt=a22t+a24sin⁡2t+C=a22t+a22sin⁡tcos⁡t+C其中t=arcsin⁡xa,sin⁡t=xa,cos⁡t=a2−x2a∫a2−x2dx=a22arcsin⁡xa+xa2−x22+C解:令x=a\sin t,-\frac{\pi}{2}\lt t\lt\frac{\pi}{2}\\ \sqrt{a^2-x^2}=a\cos t,dx=a\cos tdt \\ \int{\sqrt{a^2-x^2}dx}=\int{a\cos t\cdot a\cos tdt}=\frac{a^2}{2}t+\frac{a^2}{4}\sin2t+C\\ =\frac{a^2}{2}t+\frac{a^2}{2}\sin t\cos t+C\\ 其中t=\arcsin\frac{x}{a},\sin t=\frac{x}{a},\cos t=\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{a}\\ \int{\sqrt{a^2-x^2}dx}=\frac{a^2}{2}\arcsin\frac{x}{a}+\frac{x\sqrt{a^2-x^2}}{2}+C 解:令x=asint,2π<t<2πa2x2=acost,dx=acostdta2x2dx=acostacostdt=2a2t+4a2sin2t+C=2a2t+2a2sintcost+C其中t=arcsinax,sint=ax,cost=aa2x2a2x2dx=2a2arcsinax+2xa2x2+C

2.2.2 三角代换-切代换

正切或者余切

例2 求∫1x2+a2dx(a>0)\int{\frac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx}(a>0)x2+a21dx(a>0)
解:令x=atan⁡t,−π2<t<π2x2+a2=asec⁡t,dx=asec2t∫1x2+a2dx=∫1asec⁡t⋅asec⁡2tdt=∫sec⁡tdt=ln⁡∣sec⁡t+tan⁡t∣+C其中tan⁡t=xa,sec⁡t=x2+a2a∫1x2+a2dx=ln⁡∣x2+a2a+xa∣+C1=ln(x2+a2+x)+C解:令x=a\tan t,-\frac{\pi}{2}\lt t\lt\frac{\pi}{2} \\ \sqrt{x^2+a^2}=a\sec t,dx=asec^2t \\ \int{\frac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx}=\int{\frac{1}{a\sec t}\cdot a\sec^2tdt}\\ =\int{\sec tdt}=\ln|\sec t+\tan t|+C \\ 其中\tan t=\frac{x}{a},\sec t=\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{a} \\ \int{\frac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx}=\ln|\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{a}+\frac{x}{a}|+C_1\\ =ln(\sqrt{x^2+a^2}+x)+C 解:令x=atant,2π<t<2πx2+a2=asect,dx=asec2tx2+a21dx=asect1asec2tdt=sectdt=lnsect+tant+C其中tant=ax,sect=ax2+a2x2+a21dx=lnax2+a2+ax+C1=ln(x2+a2+x)+C

2.2.3 三角代换-割代换

正割或者余割

例3 求∫1x2−a2dx(a>0)\int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}(a\gt0)x2a21dx(a>0)
解:定义域x>a或者x<−a(1)当x>a时,令x=asec⁡t,0<t<π2x2−a2=atan⁡t,dx=asec⁡ttan⁡tdt∫1x2−a2dx=∫1atan⁡tasec⁡ttan⁡tdt=∫sec⁡tdt=ln⁡∣sec⁡t+tan⁡t∣+C1其中sec⁡t=xa,tan⁡t=x2−a2a∫1x2−a2dx=ln⁡(x+x2−a2)+C(2)当x<−a时,令u=−x,则u>a∫1x2−a2dx=−∫1u2−a2du=−ln⁡(u+u2−a2)+C=−ln⁡(−x+x2−a2)+C=ln⁡(−x−x2−a2)+C1综上当x>a时,∫1x2−a2dx=ln⁡(x+x−a2)+Cx<−a时,∫1x2−a2dx=ln⁡(−x−x2−a2)+C所以∫1x2−a2dx=ln⁡∣x+x2−a2∣+C解:定义域x\gt a或者x\lt -a \\ (1)当x\gt a时,令x=a\sec t,0\lt t\lt\frac{\pi}{2} \\ \sqrt{x^2-a^2}=a\tan t,dx=a\sec t\tan tdt \\ \int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}=\int{\frac{1}{a\tan t}a\sec t\tan tdt}\\ =\int{\sec tdt}=\ln|\sec t+\tan t|+C_1 \\ 其中\sec t=\frac{x}{a},\tan t=\frac{\sqrt{x^2-a^2}}{a} \\ \int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}=\ln(x+\sqrt{x^2-a^2})+C \\ (2)当x\lt -a时,令u=-x,则u\gt a \\ \int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}=-\int{\frac{1}{\sqrt{u^2-a^2}}du}\\ =-\ln(u+\sqrt{u^2-a^2})+C=-\ln(-x+\sqrt{x^2-a^2})+C=\ln(-x-\sqrt{x^2-a^2})+C_1\\ 综上当x\gt a时,\int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}=\ln(x+\sqrt{x^-a^2})+C \\ x\lt -a时,\int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}=\ln(-x-\sqrt{x^2-a^2})+C\\ 所以\int{\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx}=\ln|x+\sqrt{x^2-a^2}|+C 解:定义域x>a或者x<a(1)x>a时,令x=asect,0<t<2πx2a2=atant,dx=asecttantdtx2a21dx=atant1asecttantdt=sectdt=lnsect+tant+C1其中sect=ax,tant=ax2a2x2a21dx=ln(x+x2a2)+C(2)x<a,u=x,u>ax2a21dx=u2a21du=ln(u+u2a2)+C=ln(x+x2a2)+C=ln(xx2a2)+C1综上当x>a时,x2a21dx=ln(x+xa2)+Cx<a时,x2a21dx=ln(xx2a2)+C所以x2a21dx=lnx+x2a2+C

2.2.4 三角代换汇总

被积函数中函数含有三角代换
a2−x2\sqrt{a^2-x^2}a2x2x=asin⁡t,−π2<t<π2x=a\sin t,-\frac{\pi}{2}\lt t\lt \frac{\pi}{2}x=asint,2π<t<2π
a2+x2\sqrt{a^2+x^2}a2+x2x=atan⁡t,−π2<t<π2x=a\tan t,-\frac{\pi}{2}\lt t\lt \frac{\pi}{2}x=atant,2π<t<2π
x2−a2\sqrt{x^2-a^2}x2a2x>a,x=asec⁡t,0<t<π2x\gt a,x=a\sec t,0\lt t\lt \frac{\pi}{2}x>a,x=asect,0<t<2π

2.2.5 倒代换

适用:分母次数>分子次数

例4 求∫a2−x2x4dx(a≠0)\int{\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx}(a\not=0)x4a2x2dx(a=0)
解:(1)利用上面的三角代换,自己做(1)倒代换,令x=1tdx=−1t2,a2−x2=a2t2−1∣t∣∫a2−x2x4dx=∫a2t2−1∣t∣⋅t4⋅(−1t2)dt=−∫a2t2−1⋅∣t∣dt当x>0时,t=1x>0∫a2−x2x4dx=−12a2∫(a2t2−1)12d(a2t2−1)dt=−(a2−x2)323a2x3+C当x<0时,t=1x<0∫a2−x2x4dx=−(a2−x2)323a2x3+C综上∫a2−x2x4dx=−(a2−x2)323a2x3+C解:(1)利用上面的三角代换,自己做\\ (1)倒代换,令x=\frac{1}{t} \\ dx=-\frac{1}{t^2},\sqrt{a^2-x^2}=\frac{\sqrt{a^2t^2-1}}{|t|} \\ \int{\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx}=\int{\frac{\sqrt{a^2t^2-1}}{|t|}\cdot t^4\cdot(-\frac{1}{t^2})dt} \\ =-\int{\sqrt{a^2t^2-1}\cdot|t|dt} \\ 当x\gt0时,t=\frac{1}{x}\gt0\\ \int{\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx}=-\frac{1}{2a^2}\int{(a^2t^2-1)^{\frac{1}{2}}d(a^2t^2-1)dt}=-\frac{(a^2-x^2)^{\frac{3}{2}}}{3a^2x^3}+C\\ 当x\lt0时,t=\frac{1}{x}\lt0\\ \int{\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx}=-\frac{(a^2-x^2)^{\frac{3}{2}}}{3a^2x^3}+C \\ 综上 \int{\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx}=-\frac{(a^2-x^2)^{\frac{3}{2}}}{3a^2x^3}+C 解:(1)利用上面的三角代换,自己做(1)倒代换,x=t1dx=t21,a2x2=ta2t21x4a2x2dx=ta2t21t4(t21)dt=a2t21tdtx>0时,t=x1>0x4a2x2dx=2a21(a2t21)21d(a2t21)dt=3a2x3(a2x2)23+Cx<0时,t=x1<0x4a2x2dx=3a2x3(a2x2)23+C综上x4a2x2dx=3a2x3(a2x2)23+C

2.2.6 根式代换

例5 求∫11+2xdx\int{\frac{1}{1+\sqrt{2x}}dx}1+2x1dx
解:令2x=t,x=t22,dx=t∫11+2xdx=∫t1+tdt=t−ln⁡∣t+1∣+C=2x−ln⁡∣sqrt2x+1∣+C解:令\sqrt{2x}=t,x=\frac{t^2}{2},dx=t \\ \int{\frac{1}{1+\sqrt{2x}}dx}=\int{\frac{t}{1+t}dt}=t-\ln|t+1|+C\\ =\sqrt{2x}-\ln|sqrt{2x}+1|+C 解:令2x=t,x=2t2,dx=t1+2x1dx=1+ttdt=tlnt+1∣+C=2xlnsqrt2x+1∣+C

3 积分推导公式

常用积分公式,除了基本积分表中,在添加下面几个前面推导的公式:

  1. ∫tan⁡xdx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C\int{\tan xdx}=-\ln|\cos x|+Ctanxdx=lncosx+C
  2. ∫cot⁡xdx=ln⁡∣sin⁡x∣+C\int{\cot xdx}=\ln|\sin x|+Ccotxdx=lnsinx+C
  3. ∫sec⁡xdx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int{\sec xdx}=\ln|\sec x+\tan x|+Csecxdx=lnsecx+tanx+C
  4. ∫csc⁡xdx=ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣+C\int{\csc xdx}=\ln|\csc x-\cot x|+Ccscxdx=lncscxcotx+C
  5. ∫1a2+x2dx=1aarctan⁡xa+C\int{\frac{1}{a^2+x^2}dx}=\frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a}+Ca2+x21dx=a1arctanax+C
  6. ∫dxx2−a2=12aln⁡∣x−ax+a∣+C\int{\frac{dx}{x^2-a^2}}=\frac{1}{2a}\ln|\frac{x-a}{x+a}|+Cx2a2dx=2a1lnx+axa+C
  7. ∫dxa2−x2=arcsin⁡xa+C\int{\frac{dx}{\sqrt{a^2-x^2}}}=\arcsin\frac{x}{a}+Ca2x2dx=arcsinax+C
  8. ∫dxx2+a2=ln⁡(x+x2+a2)+C\int{\frac{dx}{\sqrt{x^2+a^2}}}=\ln(x+\sqrt{x^2+a^2})+Cx2+a2dx=ln(x+x2+a2)+C
  9. ∫dxx2−a2=ln⁡∣x+x2−a2∣+C\int{\frac{dx}{\sqrt{x^2-a^2}}}=\ln|x+\sqrt{x^2-a^2}|+Cx2a2dx=lnx+x2a2+C

例6 求 ∫x3(x2−2x+2)2dx\int{\frac{x^3}{(x^2-2x+2)^2}dx}(x22x+2)2x3dx
解:x2−2x+2=(x−1)2+1,令x−1=tan⁡t,(−π2<t<π2)∫x3(x2−2x+2)2dx=∫(tan⁡t+1)3sec⁡4tsec⁡2tdt=∫(sin⁡3tcos⁡−1t+3sin⁡2t+3sin⁡tcos⁡t+cos⁡2t)dt=−ln⁡cos⁡t−cos⁡2t+2t−sin⁡tcos⁡t+C按tan⁡t=x−1做辅助三角形,cos⁡t=1x2−2x+2,sin⁡t=x−1x2−2x+2∫x3(x2−2x+2)2dx=12ln⁡(x2−2x+2)+2arctan⁡(x−1)−xx2−2x+2+C解:\\ x^2-2x+2=(x-1)^2+1 ,令x-1=\tan t ,(-\frac{\pi}{2}\lt t\lt\frac{\pi}{2})\\ \int{\frac{x^3}{(x^2-2x+2)^2}dx}=\int{\frac{(\tan t+1)^3}{\sec^4t}\sec^2tdt}\\ =\int{(\sin^3t\cos^{-1}t+3\sin^2t+3\sin t\cos t+\cos^2t)dt}\\ =-\ln\cos t-\cos^2t+2t-\sin t\cos t+C\\ 按\tan t=x-1做辅助三角形,\\ \cos t=\frac{1}{\sqrt{x^2-2x+2}},\sin t=\frac{x-1}{\sqrt{x^2-2x+2}} \\ \int{\frac{x^3}{(x^2-2x+2)^2}dx}=\frac{1}{2}\ln(x^2-2x+2)+2\arctan(x-1)-\frac{x}{x^2-2x+2}+C 解:x22x+2=(x1)2+1,x1=tant,(2π<t<2π)(x22x+2)2x3dx=sec4t(tant+1)3sec2tdt=(sin3tcos1t+3sin2t+3sintcost+cos2t)dt=lncostcos2t+2tsintcost+Ctant=x1做辅助三角形,cost=x22x+21,sint=x22x+2x1(x22x+2)2x3dx=21ln(x22x+2)+2arctan(x1)x22x+2x+C
辅助三角形图示:在这里插入图片描述

后记

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参考:

[1]同济大学数学系.高等数学 第七版 上册[M].北京:高等教育出版社,2014.7.P193~p207.

[2]【梨米特】同济七版《高等数学》全程教学视频|纯干货知识点解析,应该是全网最细|微积分 | 高数[CP/OL].2020-04-16.p28.

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