4.1 不定积分及其计算

高等数学A1



周维祺

原函数

若在区间II上有F(x)=f(x)F'(x)=f(x),则称F(x)F(x)f(x)f(x)II上的一个原函数

原函数族

  • 显然,若F(x)F(x)f(x)f(x)II上的一个原函数,则F(x)+CF(x)+C也是f(x)f(x)II上的一个原函数,其中CRC\in\mathbb R是一常数

  • 反之,若F(x)G(x)F(x)、 G(x)f(x)f(x)II上的原函数,则F(x)G(x)=CF(x)-G(x)=C,其中CRC\in\mathbb R是一常数

  • 因此,f(x)f(x)II上的原函数是形如{F(x)+C}CR\{F(x)+C\}_{C\in\mathbb R}的一族函数,其中F(x)F(x)f(x)f(x)II上的任意一个原函数,CRC\in\mathbb R是任意常数

不定积分

给定区间II,称f{F(x)+C}CRf\mapsto \{F(x)+C\}_{C\in\mathbb R}的映射为ffII上的不定积分,记作f(x)dx\int f(x)dx,其中{F(x)+C}CR\{F(x)+C\}_{C\in\mathbb R}ffII上原函数族

例子

  • 2xdx=x2+C\int 2xdx=x^2+C

  • cosxdx=sinx+C\int\cos xdx=\sin x+C

  • x1dx=lnx+C\int x^{-1}dx=\ln|x|+C

  • {x>0:(lnx)=x1x<0(ln(x))=(x)1=x1\begin{cases}x>0: & (\ln x)'=x^{-1} \\x<0 & \left(\ln(-x)\right)'=-(-x)^{-1}=x^{-1}\end{cases}

练习

设曲线过点(1,2)(1,2),且其上任一点处切线斜率为该点横坐标的两倍
求该曲线的方程

不定积分是线性映射

(f(x)+g(x))dx=f(x)dx+g(x)dx\int\left(f(x)+g(x)\right)dx=\int f(x)dx+\int g(x)dx

kf(x)dx=kf(x)dx,kR\int kf(x) dx=k\int f(x)dx, \quad k\in\mathbb R

背熟常用函数积分表:P188

换元法一

被积函数具有形如f[u(x)]u(x)dx\int f[u(x)]u'(x)dx的复合形态

其中f,uf,u都是形式较简单的函数, 则

f[u(x)]u(x)dx=f(u)du=F[u(x)]+C\int f[u(x)]u'(x)dx=\int f(u)du=F[u(x)]+C

其中FFff的任意一个原函数,CRC\in\mathbb R是任意常数

例子

  • cos2xsinxdx\int\cos^2x\sin xdx

  • u(x)=cosxu(x)=\cos x,则du=sinxdxdu=-\sin xdx

  • cos2xsinxdx=u2du=13u3+C=13cos3x+C\int\cos^2x\sin xdx=-\int u^2du=-\frac{1}{3}u^3+C=-\frac{1}{3}\cos^3x+C

例子

  • 2xex2dx\int2xe^{x^2}dx

  • u(x)=x2u(x)=x^2,则du=2xdxdu=2xdx

  • 2xex2dx=eudu=eu+C=ex2+C\int2xe^{x^2}dx=\int e^udu=e^u+C=e^{x^2}+C

练习

  • 求以下不定积分

  • sinx2xdx;1x(3+2lnx)dx;x1x2dx;\int\frac{\sin\sqrt x}{2\sqrt x}dx;\quad \int\frac{1}{x(3+2\ln x)}dx; \quad \int\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}dx;

  • 1a2+x2dx;1a2x2dx;1x2a2dx;\int\frac{1}{a^2+x^2}dx;\quad \int\frac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}dx; \quad \int\frac{1}{x^2-a^2}dx;

  • tanxdx;(3+2xx2)1dx;secxdx;\int\tan xdx; \quad \int(3+2x-x^2)^{-1}dx; \quad \int \sec xdx;

换元法二

欲求f(x)dx\int f(x)dx, 令x=u(t)x=u(t),则dx=u(t)dtdx=u'(t)dt

从而转化为求f[u(t)]u(t)dt\int f[u(t)]u'(t)dt

例子

  • a2x2dx(a>0)\int\sqrt{a^2-x^2}dx\quad (a>0)

  • x=asint,t[π/2,π/2]x=a\sin t, t\in[-\pi/2, \pi/2],则dx=acostdtdx=a\cos tdt

  • a2x2dx=a2a2sin2tacostdt=a2cos2tdt\int\sqrt{a^2-x^2}dx=\int\sqrt{a^2-a^2\sin^2t}a\cos tdt=a^2\int \cos^2tdt

  • a2cos2tdt=a22(cos(2t)+1)dt=a22(sin(2t)2+t)+Ca^2\int \cos^2tdt=\frac{a^2}{2}\int(\cos (2t)+1)dt=\frac{a^2}{2}\left(\frac{\sin(2t)}{2}+t\right)+C

一般可以考虑运用三角替换的形态

  • 被积函数中有a2x2\sqrt{a^2-x^2},令x=asintx=a\sin t

  • 被积函数中有a2+x2\sqrt{a^2+x^2},令x=atantx=a\tan t

  • 被积函数中有x2a2\sqrt{x^2-a^2},令x=asectx=a\sec t

例子

  • 1x+xdx\int\frac{1}{x+\sqrt x}dx

  • x=t2(t0)x=t^2 (t\ge 0),则dx=2tdtdx=2tdt

  • 1x+xdx=2tt2+tdt=2t+1dt=2ln(t+1)+C\int\frac{1}{x+\sqrt x}dx=\int\frac{2t}{t^2+t}dt=\int\frac{2}{t+1}dt=2\ln(t+1)+C

  • =2ln(1+x)+C=2\ln(1+\sqrt x)+C

练习

  • 求以下不定积分

  • 1x(1+x3)dx;ex1dx\int\frac{1}{\sqrt x(1+\sqrt[3]{x})}dx; \quad \int\sqrt{e^x-1}dx

  • 1x2+a2dx;1x2a2dx\int\frac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx; \quad \int\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx

分部积分

即对乘法法则两侧同求不定积分后移项:

u(x)v(x)dx=u(x)v(x)v(x)u(x)dx\int u(x)v'(x)dx=u(x)v(x)-\int v(x)u'(x)dx

例子

  • x2exdx\int x^2e^xdx

  • u(x)=x2u(x)=x^2, v(x)=exv(x)=e^x

  • x2exdx=x2ex2xexdx\int x^2e^xdx=x^2e^x-\int 2xe^xdx

  • =x2ex2(xexexdx)=x2ex2xex+2ex+C=x^2e^x-2(xe^x-\int e^xdx)=x^2e^x-2xe^x+2e^x+C

例子

  • sinxexdx\int \sin xe^xdx

  • u(x)=sinxu(x)=\sin x, v(x)=exv(x)=e^x

  • sinxexdx=sinxexcosxexdx\int \sin xe^xdx=\sin xe^x-\int \cos xe^xdx
    =sinxex(cosxex(sinx)exdx)=\sin xe^x-(\cos xe^x-\int (-\sin x)e^xdx)

  • sinxexdx=12(sinxcosx)ex+C\int \sin xe^xdx=\frac{1}{2}(\sin x-\cos x)e^x+C

例子

  • arctanxdx\int \arctan xdx

  • u(x)=arctanxu(x)=\arctan x, v(x)=xv(x)=x

  • arctanxdx=xarctanxx1+x2dx\int \arctan xdx=x\arctan x-\int \frac{x}{1+x^2}dx
    =xarctanx12ln(1+x2)+C=x\arctan x-\frac{1}{2}\ln(1+x^2)+C

一般可以考虑运用分部积分的形态

  • 可以利用导数降低被积函数的次数

  • 被积函数中带有正、余弦或指数函数

  • 可以利用导数凑出换元法一中的形态

练习

  • 求以下不定积分

  • xcosxdx\int x\cos xdx

  • xlnxdx\int x\ln xdx

  • cosxexdx\int \cos xe^xdx

综合练习一

求下列不定积分

lnxx2dx;xsin2xdx;14x2+9dx;xtan2xdx;\int \frac{\ln x}{x^2}dx;\quad\int \frac{x}{\sin^2x}dx;\quad\int \frac{1}{\sqrt{4x^2+9}}dx;\quad \int x\tan^2xdx;

综合练习二

求下列不定积分

1x1+x2dx;sin(3x)sin(5x)dx;11+x+23dx\int \frac{1}{x\sqrt{1+x^2}}dx;\quad\int\sin(3x)\sin(5x)dx;\quad \int\frac{1}{1+\sqrt[3]{x+2}}dx

综合练习三

求下列不定积分

ln(x+x2+1)dx;1sinxcos4xdx;e2x1+exdx\int \ln(x+\sqrt{x^2+1})dx;\quad \int\frac{1}{\sin x\cos^4x}dx; \quad\int \frac{e^{2x}}{1+e^x}dx

综合练习四

求下列不定积分

x2sin(2x)dx;tan4xdx;sec3xdx;1+sinxsinx(1+cosx)dx\int x^2\sin(2x)dx;\quad \int\tan^4xdx; \quad\int \sec^3xdx; \quad \int\frac{1+\sin x}{\sin x(1+\cos x)}dx

综合练习五

求下列不定积分

1x2+2x+10dx;1x(1+x7)dx;x+3x25x+6dx;x2x2+2x+3dx\int\frac{1}{x^2+2x+10}dx;\quad \int\frac{1}{x(1+x^7)}dx;\quad \int\frac{x+3}{x^2-5x+6}dx;\quad \int\frac{x-2}{x^2+2x+3}dx

熟读教材第4.2节、4.3节习题

小结

  • 不定积分的概念

  • 不定积分表和相关例题

  • 换元法

  • 分部积分法