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(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;

    • P.S. lnx 的定义域为 x>0, 1x 的定义域为 x0 故需要绝对值
    • 1ax+bdx=ln|ax+b|a+C
  4. ax dx=axlna+C(0<a1);

    • P.S. (ax)=lnaax
  5. ex dx=ex+C;

  6. sinx dx=cosx+C;

  7. cosx dx=sinx+C;

  8. sec2x dx=tanx+C;

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

    • cscxdx=ln|cscx+cotx|+C=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

部分积分推导

1x2+a2dx=1aarctanxa+C "AA"

Tips

(arctanx)=11+x2

(1aarctanxa)=1a1a11+(xa)2=1a2+x2

Solution

Assuming a>0=1a211+(xa)2dx=1ad(xa)1+(xa)2=1aarctanxa+C

1x2a2dx=12aln|xax+a|+C 1/2a ∓

Tips

凑2a1xa1x+axax+a

Solution

Assuming a0=1(x+a)(xa)dx=12a(1xadx1x+adx)=12a(ln|xa|ln|x+a|)+C=12aln|xax+a|+C

1a2x2dx=12aln|x+axa|+C

Solution

类似地

=1x2a2dx=12aln|xax+a|+C=12aln|x+axa|+C

1a2x2dx=arcsin(xa)+C

Tips

(arcsinx)=11x2

(arccosx)=11x2

Solution
类似 1x2+a2dx

Assuming a>01a2x2=1a11(xa)2dx=11(xa)2d(xa)=arcsin(xa)+C

1x2±a2dx=sectdt=ln|xa+x2±a2a|+C ▲ (b + c) / a

1x2a2dx

Tips

#三角代换

对边:x2a2
邻边:a
斜边:x

Solution

1x2a2dx=x=asect1atantd(asect)0<t<π2=1tanttdsect=1tantsecttantdt=sectdt=ln|sect+tant|+C=ln|xa+x2a2a|+C 还原

1x2+a2dx

Tips

#三角代换

对边:x
邻边:a
斜边:x2+a2

Solution

1x2+a2dx=x=atant1asectd(atant)=1sectsec2tdx=sectdt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

tanxdx

Solution

=sinxcosxdx=1cosxdcosx=ln|cosx|+C

secxdx=ln|secx+tanx|+C 10'(ten sec)

Solution.I
最快,不自然

=secx(secx+tanx)secx+tanxdx (secx+tanx)=sinxcos2x+1cos2x=secx(secx+tanx)=d(secx+tanx)secx+tanx=ln|secx+tanx|+C

Solution.II
较快, #凑微分法

=cosxcos2xdx=dsinx1sin2xdx=12ln(1+sinx1sinx)+C

cscxdx=ln|cscx+cotx|+C

Solution.I

=cscx(cscx+cotx)cscx+cotxdx (cscx+cotx)=cscx(cscx+cotx)=d(cscx+cotx)cscx+cotxdx=ln|cscx+cotx|+C=ln|tanx2|

Solution.II

同上,=12ln(1+cosx1cosx)

I(m,n)=cosmxsinnxdx

Solution
#分部积分法 + 递推构造

I(m,n)=1m+1sinn1xd(cosm+1x)=1m+1(sinn1xcosm+1xcosm+1xdsinn1x)分部积分=1m+1sinn1xcosm+1x+n1m+1sinn2xcosm+2xdx=1m+1sinn1xcosm+1x+n1m+1sinn2xcosmx(1sin2x)dx=1m+1sinn1xcosm+1x+n1m+1sinn2xcosmxdx+1nm+1sinnxcosmxdx m+nm+1I(m,n)=1m+1sinn1xcosm+1x+n1m+1I(m,n2)I(m,n)=1m+nsinn1xcosm+1x+n1m+nI(m,n2)(m0,n2)同理: I(m,n)=1m+ncosm1xsinn+1x+m1m+nI(m2,n)(m2,n0)

Reduction Formulae

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

In=sinn(ax)dx=sinn1(ax)cos(ax)an+n1nIn2Jn=cosn(ax)dx=sin(ax)cosn1(ax)an+n1nJn2

As a particular case of their products and quotients:

Kn=tann(ax)dx=tann1(ax)a(n1)Kn2

Memorization

In=sinn(ax)dx=sinn1(ax)cos(ax)na+n1nIn2Jn=cosn(ax)dx=cosn1(ax)sin(ax)na+n1nJn2

secnxdx

Quiz 2 部分过程

In=secnxdx=secn2xsec2xdx=secn2tanxtanx(n2)secn3xtanxsecxdx=secn2tanx(n2)secn2xtan2x=secn2tanx(n2)secn2x(sec2x1)dx=secn2tanx(n2)secnxdx+(n2)secn2xdx

将右边 (n2)secnxdx 移项到左边,我们得到

(n1)In=secn2tanx+(n2)In2

也就是

In=1n1secn2tanx+n2n1In2

再由

secxdx=ln|tanx+secx|+C

sec2xdx=tanx+C

就可以求出积分。例如


典题整理

不定积分

arctanxx2(x2+1)dx

来源: 作业题

Analysis

#分部积分法

Hint

  1. 裂项 1x2(x2+1)=1x21x2+1
  2. (1xarctanx)=1x21x2+1
  3. 1x3+x=(x2+1)xxx(x2+1)=1xxx2+1
  4. xx2+1dx121x2+1d(x2+1)

Solution

../res/4d7255c501ddd002282f09ee53725eeb.jpeg

x+sinxcosx+1dx

来源: 作业题

Analysis

Hint

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

Solution

../res/d772af544a78253f060658ff030dafbf.jpeg

I15=ex(1exx)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(1exx)dx=(exexexx)dx=ex dx1x dx=ex2dx2x=ex2d(x)=ex2x+C.

Wrong Answer

exdexx1d1x

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)(x21)1+x4 dx经典添项=121+x21+x4 dx12x211+x4 dx=121+1x2x2+1x2 dx1211x2x2+1x2 dx经典凑微分=12d(x1x)x2+1x212d(x+1x)x2+1x2=12d(x1x)(x1x)2+212d(x+1x)(x+1x)22=122arctanx1x2142ln|x+1x2x+1x+2|+C=24arctanx212x28ln|x22x+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+x2023)20242023x2024=x2024(1+x2023)20242023 dx=(12023)1(1+x2023)20242023 d(x2023)=12023(1+x2023)20242023 d(1+x2023)=u=1+x2023112023u20242023 du=12023120242023+1u20242023+1+C=12023(120242023)u12023+C=120232024(1+x2023)12023+C=(1)(1+x2023)12023+C=(1+x2023)12023+C.

#换元积分法

1+1xx1dx

来源: Chap 5.4 3.(1)

Solution

=t=x10+1(t2+1)td(t2+1)=0+1t2+1dt=2arctanx1

x1arctanx1xdx

来源: 作业题

Solution

x1arctanx1xdx 设 u=x1, 则 x=u2+1,dx=2udu 原式 =uarctanuu2+12udu=2u2arctanuu2+1du=2arctanudu2arctanuu2+1du=2uarctanu2uu2+1du2arctanud(arctanu)=2uarctanu1u2+1d(u2)(arctanu)2=2uarctanuln(u2+1)(arctanu)2+c=2x1arctanx1(arctanx1)2lnx+c

🔴0π4tanx dx

Chap 5.1 P190 22.(9)

Solution #换元积分法

=t=tanx01tdarctant=m=t01mdarctanm2=012m21+m4dm=01m211+m4dm+01m2+11+mφdm=0111m2m2+1m2dm+011+1m2m2+1m2dm=01d(m+1m)m2+1m2+01d(m1m)m2+1m2=01d(m+1m)(m+1m)22+01d(m1m)(m1m)2+2=122ln|m+1m2m+1m+2||01+12arctanm1m2|01 limm0+(122m+1m+2)=1limm0+22mm2+2m+1=1limm0+(m1m)0=limm0+mlimm0+1m= =122(ln222+20)+12(arctan0arctan)=122ln(322)+12(0+π2)=22ln(21)+2π40.4875

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 (1lnx+ln(lnx))dx.

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

(1lnx+ln(lnx))dx=[xln(lnx)]dx=xln(lnx)+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 sin2x(xcosxsinx)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 (xcosxsinx)2 ,所以令 g(x)=xcosxsinxg(x)=cosxxsinxcosx=xsinx

f(x)g(x)f(x)g(x)=f(x)g(x)f(x)g(x)=f(x)(xcosxsinx)f(x)(xsinx)=f(x)xcosxf(x)sinx+f(x)xsinx=sin2x

因为右边只有 sin2x ,一个直观的猜想是 f(x)sinx=sin2x ,也就是 f(x)=cosx ,而另外两项为 0 。将 f(x)=cosx 代入上式,

f(x)xcosx+f(x)xsinx=sinxxcosx+cosxxsinx=0

所以,原积分为

sin2x(xcosxsinx)2dx=(cosxxcosxsinx)dx=cosxxcosxsinx+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) (xsec2x+tanx)dx
(2) xx(lnx+1)dx
(3) esinx(x2cosx+2x)dx
(4) lnxx2(1lnx)2dx
(5) sinxxcosxcossin2x


定积分

11e|x|arctanexdx

Solution

(13)11e|x|arctanexdx;=10exarctanxexdx+01exarctanexdx分离去绝对值=10ex(π2arctanexdx)+01exarctanexdx=π210exdx10exarctanexdx+01exarctanexdx=π2(e1)+10arctanexd(ex)+01arctanexd(ex).=π2(e1)

0π2tanxdx

Solution

0π2tanxdx=2(01+1+)x21+x4dx=201x21+x4dx+20111+x4dx=201d(x1x)(x1x)2+2=20dxx2+2=π2.

01xarcsinxdx

Analysis

#分部积分法 + #三角代换

Solution

u=arcsinxv=xu=11x2v=x22xarcsinxdx=x22arcsinx12x21x2dx第二类换元  故 x=sint.dx=costdt(t=arcsinx),x[0,1]t[0,π2]x21x2dx=x=sintsin2tcostdsint=sin2tdt=(1212cos2t)dt=12tsin2t4+C xarcsinxdx=x22arcsinx|0112[12tsin2t4]|0π/2=π412(π40)=π8

变上限积分及求导

limx01sin3x0tanxarcsint2 dt

Solution

=limx0tanxarcsint2dtsin3x=limx0arcsin(tan2x)3sin2xcos2xcos2x=limx0arcsinx3x2cos3x=limxx23x2=13

结合 #积分/中值定理

积分/中值定理

fC[a,b], 则 ξ[a,b] 使得

abf(x)dx=f(ξ)(ba)
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]

(1)limn01xn1+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+xxn dx=11+ξ01xn dx,0ξ1.

limn01xn dx=limn1n+1=0 且 1211+ξ1,

limn01xn1+x dx=0

(2)limnnn+psinxx dx,p 为自然数. 

Solution

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

nn+psinxx dx=sinξξp,ξ[n,n+p],

n 时, ξ, 而 |sinξ|1, 故

limnnn+psinxx dx=limξsinξξp=0.

结合 #Wallis公式 🥧EVENPIE~

Wallis 公式

In={n1nn3n212I0=(n1)!!n!!π2,n is evenn1nn3n212I1=(n1)!!n!!,n is odd

Example

例16 证明 #Wallis公式

Proof

In=0π/2sinn1xdcosx=sinn1xcosx|0π/2+(n1)0π/2cos2xsinn2xdx=(n1)0π/2sinn2x(1sin2x)dx=(n1)(In2In)In=n1nIn2, 其中 I0=π2, I1=0π/2sinxdx=1In={n1nn3n212I0=(n1)!!n!!π2,n is evenn1nn3n212I1=(n1)!!n!!1,n is odd

P.S. !! - 双阶乘

π2π211+excos3x dx

Solution

f(x)=11+excos3x=exex+1cos3xf(x)+f(x)=cos3x原式=12×20π2cos3x=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)[a,b] 上的连续函数, g(x)[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

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

cabg(x)dxabf(x)g(x)dxdabg(x)dx.

I=abg(x)dx>0, 则用它来除上式两端可得

cabf(x)g(x)dxId.

f(x)#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)dxabg(x)dx.

此即 (5.14) 式.
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(sinx)dx=π0π2f(sinx)dx,

Question

23. 设 f(x)[0,1] 上连续, 证明:

0πxf(sinx)dx=π0π2f(sinx)dx,

并用这一结果计算 0πxsinx1+cos2x dx.

Solution

 Let x=πusinx=sinu LHS =π0(πu)f(sinu)d(πu)=0π(πu)f(sinu)du=π0πf(sinu)du0πuf(sinu)du20πxf(sinx)dx=π0πf(sinu)dusinx 关于 x=π2 对称 0π/2f(sin(u))du=π/2πf(sin(u)du0πxf(sinx)dx=π20πf(sinu)du=π2(0π/2f(sinu)du+π/2πf(sinu)du)=20π/2f(sinu)du