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文档简介
不定积分计算的各种方法广东石油化工学院高州师范学院312数学(1)班梁多彬【摘要】本论文将要介绍常见的不定积分的各种计算方法以及某些特殊不定积分的求解方法,如:直接积分法(公式法)、分部积分法、换元积分法(第一换元积分法和第二换元积分法)、以及一些特殊函数的积分技巧与方法(有理函数的不定积分以及简单无理函数与三角函数的不定积分),并将结合例题探讨快捷方便的解题方法。【关键词】不定积分直接积分法分部积分法换元积分法有理函数不定积分简单无理函数与三角函数有理式的不定积分一、引言不定积分是《数学分析》中的一个重要内容,它是定积分、广义积分,瑕积分、重积分、曲线积分以及各种有关积分的基础,掌握不定积分的计算方法对于学习这些后续内容具有重要意义。不定积分的解法不像微分运算有一定的法则,它需要根据不同的题型特点采用不同的解法,因此积分运算比起微分运算来,方法更多样,技巧性更强。下面将不定积分的各种计算方法分类归纳,以便于更好的掌握、运用。定义:函数f(x)在区间I的所有的原函数F()+CCcGR)称为函数f(x)的不定积分,表为
Jf(x)dx=F(x)+C (F'(x)=f(x),C为积分常数),其中J称为积分符号,x称为积分变量,f(x)称为被积函数,f(x)dx称为被积表达式,c称为积分常数。在这里要特别注意:一个函数的不定积分既不是一个数,也不是一个函数而是一个函数族。列如:,2比‘=at,而,2比‘=at,而Jatdt=1at2+C;2Cinxcosxdx=sinx+C;,而J1X3 =X2,而Jx2dx二1X3+C.13丿 3这也就是说:(dx卜f(x))和Jf(x)dx是不相等的,即前者的结果是一个函数,cosx而后者是无穷多个函数,所以,在书写计算结果时一定不能忘记积分常数。三、不定积分的计算方法直接积分法既然积分运算是微分运算的逆运算,那么自然地可以从导数公式得到相应的积分公式,并且我们把一些基本的积分公式列成一个表,这个表通常叫作基本积分表:(1)、Jadx=ax+C,其中a是常(2)、Jxadx- 1—xa+1+C,ex+1数.中a是常数,且a^-1.Jdx=x+C.(3)、J竺=lnx(+C,XH0.(4)、Jaxdx-1ax+C,其中xlnaa>0,且aHl.
Jexdx—ex+C.(5)、Jsinxdx=一cosx+C.(6)、Jcosxdx—sinx+C.(7)、(8)、J血=Jsec2xdx-tanx+CJ"x—Jcsc2xdx-—cotx+CCOS2xsin2x(9)、Jsecxtanxdx=secx+C(10)、Jcscxcotxdx——cscx+C(11)、(12)、f dx 「1 —arcsinx+C=—arccosx+CJ" —arctanx+C——arccotx+CJ1+x2J JL丄 OVX丄丄,亠 1 jv-i-j/ WL?,亠 11+X2直接积分法就是利用基本积分公式直接进行不定积分的计算,例如例3.1、计算J(x6+5x4+3xdx解:原式=J7x6dx+J5x4dx+J3xdx=7Jx6dx+5Jx4dx+3Jxdx)+C5)+C5+c需要说明的是:c,c,c为任意的常数,因此可用一个常数c来表示。以后1 2 3对于一个不对积分,只要在积分结果后面所得的式子中写上一个积分常数即可后面的就不一一说明了。例3.2、求Jx2dx.1+x2解:原式=J1+X—1dx1+x2
=\[l]dx(1+x2jJfdx二Jdx—1+x2二x—arctanx+C注:这里有一个技巧的方法:将多项式拆分成多个单项式,然后利用基本积分公式进行计算。直接积分法只能计算比较简单的不定积分,或者是稍做变形就可以用基本积分表解决的不定积分,对于其他有点复杂的不定积分便无从下手,所以,下面我们将一一讨论其他方法。分部积分法分部积分法是由导数乘法规律推导出来的,其公式是fuv'dxfuv'dx=uvfvu'dx1)或fudv=uv—fvdu (2)
说明:分部积分法的关键是u和dv的选取,其一般原则是(1))vdu要比fudv易求;(2)v要容易求出.根据此原则在下表中列出了在几种常见的分部积分类型中相应的u和dv的选取方法:积分类型u(x)、dv(x)的选择(1)fPGIkxdxnu(x)=P(xIdvC)=ekxdxn(2)fP()sin(ac+b)dxnu(x)二P(x),dv(x)二sin(ax+b)dxn(3)fP(x)cos(ax+b)dxnu(x)二P(x),dv(x)二cos(ax+b)dxn(4)fP(x)lnxdxnu(x)=lnx,dv(x)=P(x)dxn
(5)JP(x)arcsin(ax+b)dxnu(x)=arcsin(ax+b),dv(x)=P(x)dxn(6)JP(x)arccos(ax+b)dxnu(x)=arccos(ax+b),dv(x)=P(x)dxn(7)JP(x)arctan(ax+b)dxnu(x)=arctan(ax+b),dv(x)=P(x)dxn(8)Jekxsin(ax+b)dxu(x),dv(x)的选择随意(9)Jekxcos(ax+b)dxu(x),dv(x)的选择随意注:表中a,b,k均为常数,P(x)为x的n次多项式。n下面举一些例子来说明上表的应用。例4.1计算Jxsinxdx解:令u=xdv二sinxdx解:令u=xdv二sinxdx,v=-cosxJxsinxdx=Jxdcosx=一xcosx+Jcosxdx=一xcosx+sinx+C例4.2求不定积分JHdxe2x2xdx,解:令u=x2,dv=e-2xdx2xdx,x2x2de-2x-2J ]2e-2x-2xe-2xdxe2x2e-2x+Jxde-2x2e-2e-2x+xe-2x-Je-2xdx1「 1+C—x2e-2x+xe-2x+—e—+C2L 2例.4.3求Jln±dxx2解:1 1 1解:设u=lnx,dv=一dx,则du=—dx,v=-—x2 x x所以有所以有J也dx=Jlnxd(-—)J也dx=Jlnxd(-—)x2 xlnx dx=- +J——xx2lnx—=- -+Cxx=-—(lnx+1)+Cx例4.4 计算Jsec3xdx解:由于d(tanx)=——-——dx=sec2xdx,则令u=secx,dv=cos2xsec2xdx,并令I=Jsec3xdx,则有du=secxtanxdx,v=tanx所以有I=Jsecxd(tanx)=secxtanx-Jtanxd(secx)=secxtanx-Jtan2xsecxdx=secxtanx-J(sec2x-—)secxdx(tan2x=sec2x-—)=secxtanx-Jsec3xdx+Jsecxdx=secxtanx-1+ln|secx+tanx|于是得ecxtanx+lnsecx+tanx丿+C分部积分公式还可以推导积分递推式,例如例4.5计算例4.5计算Jsinnxdx其中(n>1是正整数)解:令解:令u=sinn-1x,dv=sinxdx'则du=(1-1)sinn-2xcosxdxv二一v二一cosx,所以得I=JsinnxdxnJ=Jsinn-ixd(一cosx)=一sinn-ixcosx+Jcosxd(sinn-2x)=-sinn-1xcosx+(n-1)Jsinn-2xcos2xdx(cos2x=1-sin2x)=-sinn-1xcosx+(n-1)Jsinn-2x(1-sin2x)dx=-sinn-1xcosx+n-1Jsinn-2xdx-(n-1)Jsinnxdx=-sinn-1xcosx+(n-1)Jsinn-2xdx-(n-1)In1=一一1=一一sinn-ixcosx+nnJsinn-2xdx一Isinn-1Xcosx+口In n n-2注:上例导出了一个递推公式,只要是重复利用该递推公式,则sinx的偶次幕最终将递推到1,奇数幕则最终将被递推到sinx,而1和sinx可以积出来,因此利用上式递推公式可以积分sinx的任意正整数幕。由上面这些例子,对于分部积分法的u和dv的选择可以总结出以下规律:优先考虑取为u的函数的顺序为“反对幂三指”,即按反三角函数、对数函数、幂函数、三角函数和指数函数的先后顺序优先选择函数作为U,积分式其余部分则凑为dv.换元积分法第一换元法如果不定积分Jf(x)dx用直接积分法不易求得,但被积函数可分解为f(x)=g(p(x))p(x)令u=pC),并注意到p'C)x=dpC),则可将有关于变量x的积分转化为关于u的积分,于是有JfC凑合JfpX)p'C)x变形JfpC)dpC)换元p(x)=uJf(u)du积分F(i)+C回代u=p(x)Fp(x)】+C.
这就是第一换元积分法。一般可用第一换元积分法,即可用“凑微分”法解的题型较多,方法也很灵活,但也有规律可循,按基本初等函数类型进行总结,常见题型有:(1)JfCx+b)x=1ffCx+b)Cx+b)a(丰o)/\/\(2)JfCxn+b(a丰0,nxin1dx=1JfCxn+bd(xn+b)naJ⑶ff\x丿dx=2Jf\x\!x⑷Jf\、x丿丄dx=-Jf[丄'丄x2 \x丿x(5)JfCnx)—dx=JfGnx)lnxx⑹Jf(sinx)cosxdx=Jf(inx》sinx⑺JfCosx)sinxdx=-JfCosx》cosx(8)JfCanx)sec2xdx=JfCanx》tanx⑼Jf(otx)csc2xdx=-Jf<otx)cotxJfCecx)tanxsecxdx(10) f( \=Jfsecx>dsecxJfCrcsinx),1=dx(11) <1-x2=JfCrcsinx》arcsinx/—、JfCretanx)——-——dx(12) j ( *x2=JfVrctanx力arctanx(13)Jf(x)xdx=Jf(xdex下面举例说明:例5」计算J£解:dx5x+2d5+J5x+2=u-5x+2 5fdudx5x+2d5+J5x+2=u-5x+2 5fduJ u=-lnu+5Cu=5x+2lnGx+2)+C例5.2计算Jsecxdx解法Jsecxdx=J—1dx
cosxdxcos2xJdsinx1-sin2xds+sinxA_1(J(dsinx、+J,dsinx2[Q+sinx/Q-sinxln1+sinx1-sinx解法二:JsecxdxJsecJsecx(ecx+tanx片乂secx+tanxdxJsec2x+secxtanx
(secx+tanxdxJdsecx+tanx丿
secx+tanx_lnsecx+tanx+C虽然这两种解法所得的结果只是形式上的不同,但经过验证均为secx的原函数。例5.3求不定积分Jsin2cos5xdx解:数学系数学教育专业《不定积分计算的各种方法》Jsin2xcos5xdx=Jsin2xcos4xd(sinx)訂sin2x(一si^hsinx)+sin6xd(sinx)=J(in+sin6xd(sinx)12=12=sin3x一sin5x3 5+1sin7x+C7例5.4求jcos2xdx.解:Jcos2xdx2_1©dx+Jcos2xdx)2_1Jdx+1Jcos2xd(2x)2 4_1x+1sin2x+C2 4注:当被积函数是三角函数的乘积时,拆开奇数次项去凑微分。当被积函数为三角函数的偶数次幂时,常用半角公式通过降低幂次的方法来计算;若为奇次,则拆一项去凑,剩下的偶次用半角公式降幂后再计算。2)第二换元积分法适当地选择变量代换x=屮(),将积分JfC)x化为积分Jf儿't这是另一种形式的变量代换,换元公式可表达为:jfc》x=jf[)/t儿m可是这公式的成立需要一定条件:首先,等式右边的不定积分要存在,即Jf/1从't有原函数;其次,Jf/1儿't求出后必须用x_/1)的反函数
t二屮一1(x)代回去,为了保证该反函数存在而且是可导的,我们假定直接函数x二屮()在t的某一个区间上是单调的、可导的,并且屮'()北0.贝I」有Jf(xk=Jf\\f(从'(=F()+C=F^-1(N+C.其中屮-i()是乂二屮()的原函数。由此可见,第二类换元积分法的换元与回代过程和第一类换元积分法是正好相反。例5.5例5.5计算J心一x2dxC〉0)以下是几个常用的换元方法:三角代换⑴被积函数含有根式Ja2一X2,令x=asint或x=acost被积函数含有根式Jx2+a2,令x=atant或x=acott . 厂 e、被积函数含有根式Jx2-a2,令x=±asect,0<t<:倒代换1x=—t根式代换被积函数含有n'ax+b,令Jax+b=t面举例说明。+sin+sintcost)+C2a2解:这个积分的难点在于被积函数中的根号,为去掉根号,令x=asint--<tW冬,这里限制t的取值范围是为了保证其反函数存在,此时22谀2一x2=acost,贝Udx=acostdt,所以t+isin2t[+C2I2丿J\;,a2一X2dx=Jacost•acost+isin2t[+C2I2丿2
再将变量t还原回原来的积分变量X,由x=asin再将变量t还原回原来的积分变量X,由x=asint作直角三角形(如图1),可知cost=g—X2,代入上式,得aa2 XXJ\:a2—x2dx=arcsin+ •vS2一x2+C' 2 a2注:对于这题,要是令x=acost,同样可以计算。例5.6求不定积分J」 dx(a>0).x2+a2(解:令x=atant,则dx二asec2tdt,teI1asect•asec2tdt兀兀'I,_2丿所以有Jsectdt=ln|sect+tant+C=lnx+%iX2+a2+C例5.7求不定积分J- (a>0)2-a2(冗、解:令x=asect,贝^dx=asect•tantdt,te0,—,所以有k2丿+CJ1 —dx=Jasec•tantdt=Jsectdt=lnlsect+tan+Cx2—a2 atant回代sect回代sect,tant,dx=lnx+*X2—a2+C对于某些被积函数,若分母中含有xn因子时,可做倒代换,即令x=J从t而可得积分。一般在有理函数中分母的阶数较高时常使用到倒代换法。如下面的例子例5.8求不定积分J严Jxxn+1解:令x1,则dx二d-t 解:令x1,则dx二d-t (tJ,xxn+1dx)=J—t-1t-n(1)—一dt,It2丿所以有二—J"一1dt1+tntn+1=——lntn1当被积函数中含有m当被积函数中含有max+b与n/ax+b时,可令t二kax+b;其中k为m,n的最小公倍数。这也就是根式代换法。例5.9求不定积分J」^3:x解:令t二6x,即x二t6‘则dx二6t5dt,所以有JLdx「=J空!=6J(2—t+1dt—6j丄d(+1)x+3:x t3+12 t+1=2t3-3t2+6t-6lnt+1)+C回代2\;x—3vx+6*x—6ln(+6:x^+C.五、几种特殊类型函数的积分1.有理函数的积分有理函数黑先化为多项式和真分式駱)之和,,再把需分解为若干个dx部分分式之和。(对于部分分式的处理可能会比较复杂,出现[=Jf十)a2+x2/例6.1计算J解:因为时,记得用递推公式:In+知1X例6.1计算J解:因为时,记得用递推公式:In+知1X6+x4—4x、2dxn—1X6+x4—4x、2—24》2+2、_x 4x2+2X3^2+1丿X2+1x3X2+1再逐步积分有fdx=—ln(x2+1)+Cx2+1 2f4x2+2 f4x2+2 fdx= xdx= dx2卩=x2x3(x2+1)2 x4(x2+1
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