四. 不定积分

4.1 不定积分的概念与性质

不定积分的概念

定义:若F(x)=f(x),xI,或者dF(x)=f(x)dx,则称F(x)f(x)在区间I上的原函数。

定理:连续函数一定有原函数,即:F(x)=f(x)。如果f(x)有一个原函数,这一定有无穷多个原函数F(x)+C

定义:区间If(x)的原函数的全体,称为f(x)的不定积分,记为f(x)dx

积分表

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不定积分的性质

线性性质:设f(x), g(x)的原函数都存在,k为非零参数

[f(x)+g(x)]dx=f(x)dx+g(x)dx
i=1n[kifi(x)]dx=i=1nkifi(x)dx

积分形式的不变性:设u=u(x)x的任一可微函数,

f(x)dx=F(x)+cf(u)du=F(u)+c

求导与积分运算的关系:

  1. 先积分后微分,两者互相抵消

    df(x)dx=f(x)dx or [f(x)dx]=f(x)
  2. 先微分后积分,相互抵消后相差一个常数

    dF(x)=F(x)+c or F(x)dx=F(X)+c

原函数存在的充分条件:若f(x)在区间I上连续,则f(x)I上存在原函数,即f(x)I上可积。

4.2 换元积分法

第一类换元法(凑微分法)

定理:设f(u)具有原函数,u=φ(x)可导,则有换元公式:

f[φ(x)]φ(x)dx=[f(u)du]u=φ(x)

设,需要求g(x)dx,函数化为:g(x)=f[φ(x)]φ(x)dx的形式,那么

g(x)dx=[f(u)du]u=φ(x)

转化为求函数f(u)的积分。

常见形式:

  1. 1xdx=dlnx
  2. exdx=dex
  3. cosxdx=dsinx
  4. xndx=1n+1dxn+1

第二类换元法

定理:设x=ψ(t)是单调的可导函数,并且ψ(t)0。又设f[ψ(t)]ψ(t)具有原函数,则有换元公式:

f(x)dx=[f[ψ(t)]ψ(t)dt]t=ψ1(x)

其中ψ1(x)x=ψ(t)的反函数

方法:

  1. 根式代换

    形如R(x,ax+bn)dx的积分,可令ax+bn=t.

    形如R(x,ax+bcx+dn)dx的积分,可令ax+bcx+dn=t.

  2. 三角代换

    被积函数含有a2x2a2+x2x2a2等二次因子,可作三角代换

    a2x2x=asintacost

    a2+x2x=atantasect

    x2a2x=asectatant

  3. 倒代换

    用于消去被积函数分母前的变量因子xk(kN)

    常见形式:pn(x)xkax2bx+cdxa0,kN,pn(x)n次多项式,且n<k,则可令x=1t而消去因子xk.

4.3 分部积分法

方法

u=u(x),v=v(x)可导,则:

uvdx=uvuvdxudv=uvvdu

要求vdu的积分比udv的积分容易求出。

常见类型

  1. 降次型
  2. 转换型
  3. 循环型
  4. 递推型
  5. 抵消型

4.4 有理函数的积分

有理函数

两个多项式的商P(x)Q(x),称为有理函数,也称为有理分式。当P(x)次数小于Q(x)时,称为真分式,否则为假分式

有理函数积分一般步骤

  1. 将有理假分式用多项式除法或凑项法化为整式与真分式之和。
  2. 用比较系数法或赋值法确定真分式中的待定系数。
  3. 求出整式及各部分分式的积分。

三角有理式的积分

4.5 积分表的应用

补充积分表

(1)sinxdx=cosx+C;cosxdx=sinx+C;tanxdx=ln|cosx|+C;cotxdx=ln|sinx|+C;dxcosx=secxdx=ln|secx+tanx|+C;dxsinx=cscxdx=ln|cscxcotx|+C;sec2xdx=tanx+C;csc2xdx=cotx+C;secxtanxdx=secx+C;cscxcotxdx=cscx+C.
(2){11+x2dx=arctanx+C,1a2+x2dx=1aarctanxa+C(a>0).
(3){11x2dx=arcsinx+C,1a2x2dx=arcsinxa+C(a>0).
(4){1x2+a2dx=ln(x+x2+a2)+C(常见 a=1),1x2a2dx=ln|x+x2a2|+C(|x|>|a|).
(5)1x2a2dx=12aln|xax+a|+C (1a2x2dx=12aln|x+axa|+C).
(6)a2x2dx=a22arcsinxa+x2a2x2+C (a>|x|0).
(7)sin2x dx=x2sin2x4+C (sin2x=1cos2x2)cos2x dx=x2+sin2x4+C (cos2x=1+cos2x2)tan2x dx=tanxx+C (tan2x=sec2x1)cot2x dx=cotxx+C (cot2x=csc2x1)