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

f(x):IR, 若 F(x) 使得 F(x)=f(x)(xI), 则称 F(x)f(x)I 上的一个原函数.

全体原函数

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

Proof:

(F(x)+c)=F(x):=f(x)

G(x)f(x)任意原函数

G(x)=f(x)=F(x)(xI)

CRG(x)=F(x)+C

不定积分

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

被积表达式
被积表达式

F(x)f(x)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:

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

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

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

f,gI 上存在原函数, 则对任意 aR

af(x)dx=af(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(α1);
    常用形式:

    • xdx=12x2

    • xdx=23x32+C

    • dxx=2x12+C=2x+C

    • dxx2=x1+C=1x+C

  3. 1x dx=ln|x|+C;

    • 1ax+bdx=ln(ax+b)a
  4. ax dx=axlna+C(0<a1);

  5. ex dx=ex+C;

  6. sinx dx=cosx+C;

  7. cosx dx=sinx+C;

  8. sec2x dx=tanx+C;

    • secxdx=ln|secx+tanx|
  9. csc2x dx=cotx+C;

    • cscxdx=ln(tanx2)
  10. dxa2+x2=1aarctanxa+C(a0);

    P.S. (1aarctanxa)=1a1a11+(xa)2=1a2+x2

    • dx1+x2=arctanx+C
  11. dxx2a2=12aln|xax+a|+C(a0);

    • dxa2x2=12aln|x+axa|+C
  12. dxa2x2=arcsinxa+C(a>0);

  13. dxx2±a2=ln|x+x2±a2|+C.

补充不定积分
例题
Example

例1 求 (1x11x2)dx

Solution

=dxxdx1x2=2xarcsinx+c
Example

例 2 求 1sin2xcos2x dx

Solution

=sin2x+cos2xsin2xcos2xdx=(1sin2x+1cos2x)dx=(csc2x+sec2x)dx=cotx+tanx+C
Example

例3 求 1x2(1+x2)dx

Solution

=(1x211+x2)dx=1xarctanx+C

二、换元积分法

第一代换法 / 凑微分法

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. tanxdx

Solution

=sinxcosxdx=dcosxcosx=u=cosxduu=ln|u|+C=ln|cosx|+C
Example

2. (2x1)10dx

Solution

=(2x1)2012d(2x1)=u=2x112u10du=u1122+C=(2x1)1122+C
Example

3. dxa2+x2

Solution

=1a1adx1+(xa)2=1adxa1+(xa)2=1adu1+u2=1aarctanxa+C
Example

4. dxx2a2

Solution

=dx(xa)(x+a)=12a(1xa1x+a)dx=12a(d(xa)xad(x+a)x+a)=12a[ln|xa|ln|x+a|]=12aln|xax+a|+C
Example

5. secxdx

Solution 凑微分

=1cosxdx=cosxcos2xdx 凑 sinx=dsinx1sin2xdxa2x2=12aln|x+axa|+C(a0)=12ln|1+sinx1sinx|+C=12ln(1+sinx)2cos2x+C=ln|1+sinxcosx|+C=ln|secx+tanx|+C
Example

6. lnxx1+lnxdx

Solution 添项

lnxx1+lnxdx=lnxdlnx1+lnx=u=lnx(1+u1)du1+u=(1+u11+u)d(1+u)=23(1+u)3/221+u+C=23(1+lnx)3/221+lnx+C
Example

7. 2x1x24x+5dx

Solution 配方

=2x4+3x24x+5dx=d(x24x+5)x24x+5+3(x2)2+1d(x2)=ln|x24x+5|+3arctan(x2)+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(x1x)(x1x)2+32=13arctanx1x3+C
注意到,该式在x=0时无意义,继续补充

f(x)=x2+1x4+x2+1 原函数为 F(x)

F(x)={13arctanx1x3+C1,x>0C,x=013arctanx1x3+C2,x<0F(x) 在 x=0 连续. F(0+0)=F(0)=F(00), 此时x1x趋近正负无穷13(π2)+C1=C=13π2+C2C1=C+13π2C2=C13π2

从而原函数 F(x)={13arctanx1x3+13π2+C,x013arctanx1x313π2+C,x<0

下说明 F(x)|x=0=f(0)
由于 limx0F(x)=limx0f(x)=f(0)=1
F(x)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.

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

f(x)dx=G(φ1(x))+C
f(x)dx=x=φ(t)f(φ(t))φ(t)dt= 已知 G(t)+C= 回代 G(φ1(x))+C.

Proof

ddxG(φ1(x))=t:=φ1(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 a2x2,x2+a2x2a2 时, 可采用 x=asint,x=atantx=asect 等三角代换去根号.

Example

例6 求 dxx2+a2,(a>0).

Solution

令 x=atant,|t|<π2

dxx2+a2=asec2tdta2tan2t+a2=sec2tsec2tdt=sectdt=ln|sect+tant|+C=ln|x2+a2a+xa|+C=ln|x+x2+a2|+C1

Tip

../res/fa0176bmp.png|250

Example

例7 求 a2x2 dx,(a>0).

Solution

 x=asint=a2a2sin2t(acostdt)=a2cos2tdt=a22(1+cos2t)dt=a22(t+sin2t2)+c=a22t+a22sintcost+c=a22arcsinxa+a22xa1x2a2+C=a22arcsinxa+x2a2x2+c
Example

例8 求 dxx(1x).

Solution

法I.配方

=d(x12)(12)2(x12)2=arcsin(2x1)

或:

法II.灵机一动
注意到: sin2x+cosx=x+(1x)=1
 x=sin2t,t(0,π2)

 原式 =2sintcostdtsin2tcos2t=2dt=2t+C=2arcsinx+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/t1t2dt1t1t2+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

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 lnx dx.

Solution

=xlnxxdlnx=xlnxx1xdx=xlnxx+C
Example

例11 求 I=exsinx dx.

Solution

I=exsinx dxex,dx=sinxdex=exsinxexdsinxex,dx=exsinxcosxdex=exsinxexcosx+exdcosx=ex(sinxcosx)sinxdexI=ex(sinxcosx)I2I=ex(sinxcosx)+CI=12ex(sinxcosx)+C
Example

例12 求 In=dx(x2+a2)n,(a>0,nN).

Solution

In=α(x2+a2)n(2(x2+a2a2(x2+a2)n+1dx)=x(x2+a2)+2nIn2na2In+1In=x2na2(x2+a2)n+2n12na2In

其中: I1=1aarctanxa

Example

例13 求 xex(1+ex)32 dx.

Solution

I=x(1+ex)32d(ex+1)=2xd(1+ex)12=2x1+ex+211+exdx 其中 11+exdx

故原式 =2x1+ex+211+e2dx

=2x1+e2+ln|10x111+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:121u3/2duThe 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=fggdf,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+1tan2(u)+1sec(u)and u=tan1(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+11sdsThe 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=tan1(x):log(x)x2+1log(cot(tan1(x))+csc(tan1(x)))+constantSimplify using cot(tan1(z))=1zand csc(tan1(z))=z2+1z:log(x)x2+1log(x2+1+1x)+constantAn alternative form of the integral is:log(x)x2+1csch1(x)+constantWhich is equivalent for restricted xvalues to:Answer:log(x)x2+1log(x2+1+1)+log(x)+constant

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

原式=+1tan2t+1tantdt=csct dt