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
设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=21∫3+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:令u=x+2,x=u−2∫(x+2)3x2dx=∫u3(u−2)2du=∫u1du−∫u24du+∫u34du=ln∣x+2∣+x+24−2(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=arctanx+C\int{\frac{1}{1+x^2}dx}=\arctan x+C∫1+x21dx=arctanx+C
解:∫1a2+x2dx=1a2∫11+(xa)2dx=1a∫11+(xa)2d(xa)=1aarctanxa+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 解:∫a2+x21dx=a21∫1+(ax)21dx=a1∫1+(ax)21d(ax)=a1arctanax+C
例4 求∫1x2−a2dx\int{\frac{1}{x^2-a^2}dx}∫x2−a21dx
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=b−a1(x+a1−x+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 解:∫x2−a21dx=2a1[∫x−a1d(x−a)−∫x+a1d(x+a)]=2a1(ln∣x−a∣−ln∣x+a∣)+C=2a1ln∣x+ax−a∣+C
例5 求∫dxx(1+2lnx)\int{\frac{dx}{x(1+2\ln x)}}∫x(1+2lnx)dx
解析:(lnx)′=1x(\ln x)^{'}=\frac{1}{x}(lnx)′=x1
解:∫dxx(1+2lnx)=12∫d(1+2lnx)1+2lnx=12ln∣1+2lnx∣+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 解:∫x(1+2lnx)dx=21∫1+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)′=21⋅x1
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 解:∫xe3xdx=32∫e3xd(3x)=32e3x+C
例7 求∫sin2xcos5xdx\int{sin^2x\cos^5xdx}∫sin2xcos5xdx
解析:(sinx)′=cosx(cosx)′=−sinxsin2x+cos2x=1(\sin x)^{'}=\cos x\quad (\cos x)^{'}=-\sin x\quad \sin^2x+\cos^2x=1(sinx)′=cosx(cosx)′=−sinxsin2x+cos2x=1
解:∫sin2xcos5xdx=∫sin2xcos4xd(sinx)=∫sin2x(1−sin2x)2d(sinx)=∫(sin6x−2sin4x+sin2x)d(sinx)=17sin7x−25sin5x+13sin3x+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(1−sin2x)2d(sinx)=∫(sin6x−2sin4x+sin2x)d(sinx)=71sin7x−52sin5x+31sin3x+C
一般地,对于sin2k+1xcosnx或sinnxcos2k+1x(其中k∈N)\sin^{2k+1}x\cos^nx或\sin^nx\cos^{2k+1}x(其中k\in N)sin2k+1xcosnx或sinnxcos2k+1x(其中k∈N)型函数的积分,总可依次做变换u=cosx或u=sinxu=\cos x或u=\sin xu=cosx或u=sinx,求得结果。
例8 求∫tanxdx\int{\tan xdx}∫tanxdx
解:∫tanxdx=∫sinxcosxdx=−∫1cosxd(cosx)=−ln∣cosx∣+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)=−ln∣cosx∣+C
类似可得∫cotxdx=ln∣sinx∣+C\int{\cot xdx}=\ln|\sin x|+C∫cotxdx=ln∣sinx∣+C
例9 求∫x3(x2−2x+2)\int{\frac{x^3}{(x^2-2x+2)}}∫(x2−2x+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
- ∫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
- ∫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=2∫f(x)dx
- ∫f(sinx)cosxdx=∫f(sinx)dsinx\int{f(\sin x)\cos xdx}=\int{f(\sin x)d\sin x}∫f(sinx)cosxdx=∫f(sinx)dsinx
- ∫f(cosx)sinxdx=−∫f(cosx)dcosx\int{f(\cos x)\sin xdx}=-\int{f(\cos x)d\cos x}∫f(cosx)sinxdx=−∫f(cosx)dcosx
- ∫f(lnx)1xdx=∫f(lnx)dlnx\int{f(\ln x)\frac{1}{x}dx}=\int{f(\ln x)d\ln x}∫f(lnx)x1dx=∫f(lnx)dlnx
- ∫f(xlnx)(1+lnx)dx=∫f(xlnx)d(xlnx)\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)
- ∫f(secx)secxtanxdx=∫f(secx)dsecx\int{f(\sec x)\sec x\tan xdx}=\int{f(\sec x)d\sec x}∫f(secx)secxtanxdx=∫f(secx)dsecx
- ∫f(cscx)cscxcotxdx=−∫f(cscx)dcscx\int{f(\csc x)\csc x\cot xdx}=-\int{f(\csc x)d\csc x}∫f(cscx)cscxcotxdx=−∫f(cscx)dcscx
- ∫f(tanx)sec2xdx=∫f(tanx)dtanx\int{f(\tan x)\sec^2xdx}=\int{f(\tan x)d\tan x}∫f(tanx)sec2xdx=∫f(tanx)dtanx
- ∫f(cotx)csc2xdx=−∫f(cotx)dcotx\int{f(\cot x)\csc^2xdx}=-\int{f(\cot x)d\cot x}∫f(cotx)csc2xdx=−∫f(cotx)dcotx
- ∫f(arcsinx)11−x2dx=∫f(arcsinx)darcsinx\int{f(\arcsin x)\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx}=\int{f(\arcsin x)d\arcsin x}∫f(arcsinx)1−x21dx=∫f(arcsinx)darcsinx
- ∫f(arctanx)11+x2dx=∫f(arcsinx)darctanx\int{f(\arctan x)\frac{1}{1+x^2}dx}=\int{f(\arcsin x)d\arctan x}∫f(arctanx)1+x21dx=∫f(arcsinx)darctanx
- ∫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:
- sin2x+cos2x=1\sin^2x+\cos^2x = 1sin2x+cos2x=1
- 1+tan2x=sec2x1+\tan^2x=\sec^2x1+tan2x=sec2x
- 1+cot2x=csc2x1+\cot^2x=\csc^2 x1+cot2x=csc2x
- 两角和差的三角公式
- cos(α±β)=cosαcosβ±sinαsinβ\cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\pm\sin\alpha\sin\betacos(α±β)=cosαcosβ±sinαsinβ
- sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\betasin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ
- 2倍角公式,降幂公式
- cos2α=cos2α−sin2α=2cos2α−1=1−2sin2α\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alphacos2α=cos2α−sin2α=2cos2α−1=1−2sin2α
- sin2α=2sinαcosα\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alphasin2α=2sinαcosα
- cos2α=12(1+cos2α)\cos^2\alpha=\frac{1}{2}(1+\cos2\alpha)cos2α=21(1+cos2α)
- sin2α=12(1−cos2α)\sin^2\alpha=\frac{1}{2}(1-\cos2\alpha)sin2α=21(1−cos2α)
- 积化和差,和差化积
一般地,对于sin2k+1xcosnx或sinnxcos2k+1x(其中k∈N)\sin^{2k+1}x\cos^nx或\sin^nx\cos^{2k+1}x(其中k\in N)sin2k+1xcosnx或sinnxcos2k+1x(其中k∈N)型函数的积分,总可依次做变换u=cosx或u=sinxu=\cos x或u=\sin xu=cosx或u=sinx,求得结果。
tannxsec2kx或者tan2k−1xsecnx(n,k∈N+)\tan^nx\sec^{2k}x或者\tan^{2k-1}x\sec^nx(n,k\in N_+)tannxsec2kx或者tan2k−1xsecnx(n,k∈N+)型积分,可依次做变换u=tanx或u=secxu=\tan x或u=\sec xu=tanx或u=secx
2 第二类换元法
2.1 定理2
设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=ϕ−1(x)
其中ϕ−1(x)是x=ϕ(t)\phi^{-1}(x)是x=\phi(t)ϕ−1(x)是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: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)=dtdΦ⋅dxdt=f[ϕ(t)]ϕ′(t)⋅ϕ′(t)1=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)
注:
- 必须写出变量代换x=ϕ(t)x=\phi(t)x=ϕ(t)
- 必须替换微分dx=ϕ′(t)dtdx=\phi^{'}(t)dtdx=ϕ′(t)dt
- 最后结果必须还原成原来积分变量t=ϕ−1(x)t=\phi^{-1}(x)t=ϕ−1(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)∫a2−x2dx(a>0)
解:令x=asint,−π2<t<π2a2−x2=acost,dx=acostdt∫a2−x2dx=∫acost⋅acostdt=a22t+a24sin2t+C=a22t+a22sintcost+C其中t=arcsinxa,sint=xa,cost=a2−x2a∫a2−x2dx=a22arcsinxa+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<2πa2−x2=acost,dx=acostdt∫a2−x2dx=∫acost⋅acostdt=2a2t+4a2sin2t+C=2a2t+2a2sintcost+C其中t=arcsinax,sint=ax,cost=aa2−x2∫a2−x2dx=2a2arcsinax+2xa2−x2+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=atant,−π2<t<π2x2+a2=asect,dx=asec2t∫1x2+a2dx=∫1asect⋅asec2tdt=∫sectdt=ln∣sect+tant∣+C其中tant=xa,sect=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=asec2t∫x2+a21dx=∫asect1⋅asec2tdt=∫sectdt=ln∣sect+tant∣+C其中tant=ax,sect=ax2+a2∫x2+a21dx=ln∣ax2+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)∫x2−a21dx(a>0)
解:定义域x>a或者x<−a(1)当x>a时,令x=asect,0<t<π2x2−a2=atant,dx=asecttantdt∫1x2−a2dx=∫1atantasecttantdt=∫sectdt=ln∣sect+tant∣+C1其中sect=xa,tant=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)当x>a时,令x=asect,0<t<2πx2−a2=atant,dx=asecttantdt∫x2−a21dx=∫atant1asecttantdt=∫sectdt=ln∣sect+tant∣+C1其中sect=ax,tant=ax2−a2∫x2−a21dx=ln(x+x2−a2)+C(2)当x<−a时,令u=−x,则u>a∫x2−a21dx=−∫u2−a21du=−ln(u+u2−a2)+C=−ln(−x+x2−a2)+C=ln(−x−x2−a2)+C1综上当x>a时,∫x2−a21dx=ln(x+x−a2)+Cx<−a时,∫x2−a21dx=ln(−x−x2−a2)+C所以∫x2−a21dx=ln∣x+x2−a2∣+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}a2−x2 | x=asint,−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+x2 | x=atant,−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}x2−a2 | x>a,x=asect,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)∫x4a2−x2dx(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,令x=t1dx=−t21,a2−x2=∣t∣a2t2−1∫x4a2−x2dx=∫∣t∣a2t2−1⋅t4⋅(−t21)dt=−∫a2t2−1⋅∣t∣dt当x>0时,t=x1>0∫x4a2−x2dx=−2a21∫(a2t2−1)21d(a2t2−1)dt=−3a2x3(a2−x2)23+C当x<0时,t=x1<0∫x4a2−x2dx=−3a2x3(a2−x2)23+C综上∫x4a2−x2dx=−3a2x3(a2−x2)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=t∫1+2x1dx=∫1+ttdt=t−ln∣t+1∣+C=2x−ln∣sqrt2x+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:
- ∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C\int{\tan xdx}=-\ln|\cos x|+C∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C
- ∫cotxdx=ln∣sinx∣+C\int{\cot xdx}=\ln|\sin x|+C∫cotxdx=ln∣sinx∣+C
- ∫secxdx=ln∣secx+tanx∣+C\int{\sec xdx}=\ln|\sec x+\tan x|+C∫secxdx=ln∣secx+tanx∣+C
- ∫cscxdx=ln∣cscx−cotx∣+C\int{\csc xdx}=\ln|\csc x-\cot x|+C∫cscxdx=ln∣cscx−cotx∣+C
- ∫1a2+x2dx=1aarctanxa+C\int{\frac{1}{a^2+x^2}dx}=\frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a}+C∫a2+x21dx=a1arctanax+C
- ∫dxx2−a2=12aln∣x−ax+a∣+C\int{\frac{dx}{x^2-a^2}}=\frac{1}{2a}\ln|\frac{x-a}{x+a}|+C∫x2−a2dx=2a1ln∣x+ax−a∣+C
- ∫dxa2−x2=arcsinxa+C\int{\frac{dx}{\sqrt{a^2-x^2}}}=\arcsin\frac{x}{a}+C∫a2−x2dx=arcsinax+C
- ∫dxx2+a2=ln(x+x2+a2)+C\int{\frac{dx}{\sqrt{x^2+a^2}}}=\ln(x+\sqrt{x^2+a^2})+C∫x2+a2dx=ln(x+x2+a2)+C
- ∫dxx2−a2=ln∣x+x2−a2∣+C\int{\frac{dx}{\sqrt{x^2-a^2}}}=\ln|x+\sqrt{x^2-a^2}|+C∫x2−a2dx=ln∣x+x2−a2∣+C
例6 求 ∫x3(x2−2x+2)2dx\int{\frac{x^3}{(x^2-2x+2)^2}dx}∫(x2−2x+2)2x3dx
解:x2−2x+2=(x−1)2+1,令x−1=tant,(−π2<t<π2)∫x3(x2−2x+2)2dx=∫(tant+1)3sec4tsec2tdt=∫(sin3tcos−1t+3sin2t+3sintcost+cos2t)dt=−lncost−cos2t+2t−sintcost+C按tant=x−1做辅助三角形,cost=1x2−2x+2,sint=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:x2−2x+2=(x−1)2+1,令x−1=tant,(−2π<t<2π)∫(x2−2x+2)2x3dx=∫sec4t(tant+1)3sec2tdt=∫(sin3tcos−1t+3sin2t+3sintcost+cos2t)dt=−lncost−cos2t+2t−sintcost+C按tant=x−1做辅助三角形,cost=x2−2x+21,sint=x2−2x+2x−1∫(x2−2x+2)2x3dx=21ln(x2−2x+2)+2arctan(x−1)−x2−2x+2x+C
辅助三角形图示:
后记
❓QQ:806797785
⭐️文档笔记地址:https://gitee.com/gaogzhen/math
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.
- 三角函数公式
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