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【高等数学】四,不定积分

本文涉及知识点

数学

第一节 不定积分的概念性质

一,原函数和不定积分的概念

定义一:如果再区间I上,可导函数F(x)的导函数为f(x),即

∀

x

∈

I

\\forall x \\in I

∀x∈I,都有F’(x)=f(x)或dF(x)=f(x)dx。那么函数F(x)就称为f(x)在区间I上的一个原函数。 原函数存在定理:连续函数一定存在原函数。 证明:令F(a)=C,令

F

(

x

)

=

(

∫

a

x

f

(

t

)

d

t

)

+

C

F(x)=(\\int_a^xf(t)dt)+C

F(x)=(∫ax​f(t)dt)+C 即

F

(

x

+

Δ

)

=

F

(

x

)

+

f

(

x

)

×

Δ

F(x+\\Delta)=F(x)+f(x)\\times \\Delta

F(x+Δ)=F(x)+f(x)×Δ 即f(x)=

F

(

x

+

Δ

)

−

f

(

X

)

Δ

\\frac{F(x+\\Delta)-f(X)}{\\Delta}

ΔF(x+Δ)−f(X)​,由于F(x)连续,故

∀

ϵ

,

都存在

∣

F

(

x

+

Δ

x

)

−

F

(

x

)

∣

<

ϵ

÷

2

,

即任意

∣

f

(

x

)

∣

<

ϵ

÷

2

→

任意

f

(

x

)

的差都小于

ϵ

,

即

f

(

x

)

连续

\\forall \\epsilon,都存在|F(x+\\Delta x)-F(x)|<\\epsilon\\div 2,即任意|f(x)|<\\epsilon \\div 2 \\to 任意f(x)的差都小于\\epsilon,即f(x)连续

∀ϵ,都存在∣F(x+Δx)−F(x)∣<ϵ÷2,即任意∣f(x)∣<ϵ÷2→任意f(x)的差都小于ϵ,即f(x)连续

F

′

(

x

)

=

lim

⁡

h

→

0

F

(

x

+

h

)

−

F

(

h

)

h

连续

→

函数值等于极限

F'(x)=\\lim\\limits_{h \\to 0}\\frac{F(x+h)-F(h)}{h} 连续\\to 函数值等于极限

F′(x)=h→0lim​hF(x+h)−F(h)​连续→函数值等于极限

=

f

(

x

)

=f(x)

=f(x)因为f(x)连续。 证毕。 定义二:在区间I上,函数f(x)的带有任意常数项的原函数称为f(x)(或f(x)dx)在区间I上的不定积分,记作

∫

f

(

x

)

d

x

,其中

∫

是积分符号,

f

(

x

)

称为被积函数,

f

(

x

)

d

x

称为被积表达式,

x

称为积分变量

\\int f(x)dx,其中\\int是积分符号,f(x)称为被积函数,f(x)dx称为被积表达式,x称为积分变量

∫f(x)dx,其中∫是积分符号,f(x)称为被积函数,f(x)dx称为被积表达式,x称为积分变量。

二,基本积分表

一,

∫

k

d

x

=

k

x

+

C

\\int kdx=kx+C

∫kdx=kx+C K是常数 二,

∫

x

u

=

x

u

+

1

u

+

1

,

u

≠

−

1

\\int x^u=\\frac {x^{u+1}}{u+1},u \\neq -1

∫xu=u+1xu+1​,u=−1 三,

∫

1

x

=

l

n

∣

x

∣

+

C

\\int \\frac 1 x=ln|x|+C

∫x1​=ln∣x∣+C 四,

∫

e

x

=

e

x

+

C

\\int e^x=e^x+C

∫ex=ex+C 五,

∫

a

x

÷

ln

⁡

a

=

a

x

+

C

,

a

>

0

,

a

≠

1

\\int a^x \\div \\ln a= a^x+C,a>0,a\\neq 1

∫ax÷lna=ax+C,a>0,a=1

六,

∫

cos

⁡

x

=

sin

⁡

x

+

C

\\int \\cos x=\\sin x +C

∫cosx=sinx+C 七,

∫

sin

⁡

x

=

−

cos

⁡

x

+

C

\\int \\sin x =-\\cos x+C

∫sinx=−cosx+C 八,

∫

d

x

cos

⁡

2

x

=

∫

sec

⁡

2

x

d

x

=

tan

⁡

x

+

C

\\int \\frac{dx}{\\cos^2x}=\\int \\sec^2x dx=\\tan x+C

∫cos2xdx​=∫sec2xdx=tanx+C 九,

∫

d

x

sin

⁡

2

x

=

∫

c

s

c

2

x

d

x

=

−

cot

⁡

x

+

C

\\int \\frac {dx}{\\sin^2x}=\\int csc^2x dx=-\\cot x+C

∫sin2xdx​=∫csc2xdx=−cotx+C

十,

∫

d

x

1

−

x

2

=

arcsin

⁡

x

+

C

\\int \\frac {dx}{\\sqrt{1-x^2}}=\\arcsin x+C

∫1−x2

​dx​=arcsinx+C 十一,

∫

d

x

1

+

x

2

=

arctan

⁡

x

+

C

\\int \\frac{dx}{1+x^2}=\\arctan x+C

∫1+x2dx​=arctanx+C 十二:

∫

sec

⁡

x

tan

⁡

x

d

x

=

sec

⁡

x

+

C

\\int \\sec x\\tan x dx=\\sec x+C

∫secxtanxdx=secx+C

sec

⁡

′

x

=

−

cos

⁡

′

x

c

o

s

2

x

\\sec'x=\\frac{-\\cos'x}{cos^2x}

sec′x=cos2x−cos′x​ 导数的除法

sin

⁡

x

cos

⁡

2

x

=

tan

⁡

x

sec

⁡

x

\\frac{\\sin x}{\\cos^2x}=\\tan x \\sec x

cos2xsinx​=tanxsecx 十三:

csc

⁡

x

cot

⁡

x

d

x

=

−

csc

⁡

x

+

C

\\csc x\\cot xdx=-\\csc x+C

cscxcotxdx=−cscx+C

在这里插入图片描述

三,不定积分的性质

性质一:设函数f(x)及g(x)的原函数存在,则:

∫

[

f

(

x

)

±

g

(

x

)

]

d

x

=

∫

f

(

x

)

d

x

±

∫

g

(

x

)

d

x

\\int [f(x)\\pm g(x)]dx=\\int f(x)dx \\pm \\int g(x)dx

∫[f(x)±g(x)]dx=∫f(x)dx±∫g(x)dx 性质二:设函数f(x)的原函数存在,k为非零常数,则:

∫

k

f

(

x

)

d

x

=

k

∫

f

(

x

)

d

x

\\int kf(x)dx=k\\int f(x) dx

∫kf(x)dx=k∫f(x)dx

第二节 换元积分法

利用中间变量的代换,得到复合函数的积分法,称为换元积分法,简称换元法。

第一类换元法

定理一:设f(u)具有原函数,u=

ϕ

(

x

)

\\phi(x)

ϕ(x)可导,则有换元公式:

∫

f

[

ϕ

(

x

)

]

ϕ

′

(

x

)

d

x

=

[

∫

f

(

u

)

d

u

]

u

=

ϕ

(

x

)

\\int f[\\phi(x)]\\phi'(x)dx=[\\int f(u)du]_{u=\\phi(x)}

∫f[ϕ(x)]ϕ′(x)dx=[∫f(u)du]u=ϕ(x)​ 例一:

∫

2

cos

⁡

2

x

d

x

=

cos

⁡

2

x

.2

d

x

=

cos

⁡

2

x

.

(

2

x

)

′

d

x

\\int 2\\cos 2x dx=\\cos 2x.2dx=\\cos 2x.(2x)'dx

∫2cos2xdx=cos2x.2dx=cos2x.(2x)′dx

=

c

o

s

2

x

d

2

x

=cos2x d2x

=cos2xd2x定理一

=

sin

⁡

2

x

+

C

=\\sin 2x+C

=sin2x+C注意:2x是积分变量。 例二:

∫

1

3

+

2

x

d

x

=

1

2

∫

2

3

+

2

x

d

x

=

1

2

∫

(

2

x

+

3

)

′

2

x

+

3

=

1

2

∫

1

2

x

+

3

d

(

2

x

+

3

)

=

1

2

ln

⁡

∣

2

x

+

3

∣

+

C

\\int \\frac 1 {3+2x}dx=\\frac 1 2\\int \\frac 2 {3+2x}dx=\\frac 1 2 \\int \\frac{(2x+3)'}{2x+3}=\\frac 1 2 \\int \\frac 1 {2x+3} d(2x+3)=\\frac 1 2 \\ln|2x+3|+C

∫3+2x1​dx=21​∫3+2x2​dx=21​∫2x+3(2x+3)′​=21​∫2x+31​d(2x+3)=21​ln∣2x+3∣+C 例三:

∫

x

2

(

x

+

2

)

3

\\int \\frac{x^2}{(x+2)^3}

∫(x+2)3x2​ 令u=x+2,则x=u-2。原式=

∫

(

u

−

2

)

2

u

3

d

u

=

∫

(

u

u

−

4

u

+

4

)

u

−

3

d

u

=

ln

⁡

∣

u

∣

+

4

u

−

1

−

2

u

−

2

\\int\\frac{(u-2)^2}{u^3}du=\\int(uu-4u+4)u^{-3}du=\\ln|u|+4u^{-1}-2u^{-2}

∫u3(u−2)2​du=∫(uu−4u+4)u−3du=ln∣u∣+4u−1−2u−2

=

ln

⁡

∣

x

+

2

∣

+

4

÷

(

x

+

2

)

−

2

(

x

+

2

)

−

2

=\\ln|x+2|+4 \\div (x+2)-2(x+2)^{-2}

=ln∣x+2∣+4÷(x+2)−2(x+2)−2

例五:

∫

x

1

−

x

2

d

x

\\int x \\sqrt{1-x^2}dx

∫x1−x2

​dx 令u=1-x^2,则du=-2xdx。 原式=

−

1

2

∫

u

1

2

(

2

x

)

d

x

=

−

1

2

u

1

2

d

u

=

−

1

2

2

3

u

2

3

=

−

1

3

u

3

2

+

C

-\\frac 1 2\\int u^{\\frac 1 2}(2x)dx=-\\frac 1 2u^{\\frac 1 2}du=-\\frac 1 2 \\frac 2 3 u^{\\frac 2 3} =-\\frac 1 3 u^{\\frac 3 2}+C

−21​∫u21​(2x)dx=−21​u21​du=−21​32​u32​=−31​u23​+C

=

−

1

3

(

1

−

x

2

)

3

2

+

C

=-\\frac 1 3(1-x^2){\\frac 3 2}+C

=−31​(1−x2)23​+C

例八:

∫

1

x

2

−

a

2

d

x

(

a

≠

0

)

\\int \\frac 1 {x^2-a^2}dx(a\\neq 0)

∫x2−a21​dx(a=0) 原式=

1

2

a

∫

(

1

x

−

a

−

1

x

+

a

)

d

x

=

1

2

a

∫

1

x

−

a

d

(

x

−

a

)

−

1

2

a

∫

1

x

+

a

d

(

x

+

a

)

=

1

2

a

l

n

∣

x

−

a

∣

∣

x

+

a

∣

+

C

\\frac 1 {2a}\\int(\\frac 1 {x-a} – \\frac 1 {x+a})dx=\\frac 1{2a}\\int\\frac 1 {x-a}d(x-a)-\\frac 1 {2a}\\int\\frac 1 {x+a}d(x+a)=\\frac 1 {2a}ln\\frac {|x-a|}{|x+a|}+C

2a1​∫(x−a1​−x+a1​)dx=2a1​∫x−a1​d(x−a)−2a1​∫x+a1​d(x+a)=2a1​ln∣x+a∣∣x−a∣​+C 例十:

∫

e

3

x

x

d

x

\\int \\frac {e^{3\\sqrt x}}{\\sqrt x}dx

∫x

​e3x

​​dx

1

x

\\frac 1 {\\sqrt x}

x

​1​的原函数是:2

x

\\sqrt x

x

​故原式=

∫

e

3

x

d

(

2

x

)

=

2

3

∫

e

3

x

d

(

3

x

)

=

2

3

e

3

x

+

C

\\int e^{3\\sqrt x}d(2\\sqrt x)=\\frac 2 3\\int e^{3 \\sqrt x}d(3 \\sqrt x)=\\frac 2 3e^{3 \\sqrt x}+C

∫e3x

​d(2x

​)=32​∫e3x

​d(3x

​)=32​e3x

​+C 例11:

∫

sin

⁡

3

x

d

x

=

sin

⁡

2

x

sin

⁡

x

d

x

=

−

s

i

n

2

x

d

(

cos

⁡

x

)

=

(

cos

⁡

2

x

−

1

)

d

(

cos

⁡

x

)

=

1

3

cos

⁡

3

x

−

cos

⁡

x

+

C

\\int \\sin^3xdx=\\sin^2x \\sin xdx=-sin^2xd(\\cos x)=(\\cos^2x-1)d(\\cos x)=\\frac 1 3\\cos^3x-\\cos x+C

∫sin3xdx=sin2xsinxdx=−sin2xd(cosx)=(cos2x−1)d(cosx)=31​cos3x−cosx+C 例13:

tan

⁡

x

d

x

=

∫

sin

⁡

x

cos

⁡

x

d

x

=

−

∫

1

cos

⁡

x

d

(

cos

⁡

x

)

=

−

ln

⁡

∣

cos

⁡

x

∣

+

C

\\tan xdx=\\int \\frac{\\sin x}{\\cos x}dx=-\\int \\frac 1 {\\cos x}d(\\cos x)=-\\ln|\\cos x|+C

tanxdx=∫cosxsinx​dx=−∫cosx1​d(cosx)=−ln∣cosx∣+C

例14:

∫

cos

⁡

2

x

d

x

\\int\\cos^2xdx

∫cos2xdx

=

∫

1

+

cos

⁡

2

x

2

d

x

=

1

2

(

∫

d

x

+

∫

cos

⁡

2

x

d

x

)

=

1

2

∫

d

x

+

1

4

∫

cos

⁡

2

x

d

2

x

=

x

2

+

sin

⁡

2

x

4

+

C

=\\int\\frac{1+\\cos 2x} 2 dx=\\frac 1 2(\\int dx+\\int \\cos2x dx)=\\frac 1 2 \\int dx+\\frac 1 4\\int\\cos2xd2x=\\frac x 2+\\frac {\\sin 2x} 4+C

=∫21+cos2x​dx=21​(∫dx+∫cos2xdx)=21​∫dx+41​∫cos2xd2x=2x​+4sin2x​+C

第二类积分换元法

定理二:设x=

ϕ

(

x

)

\\phi (x)

ϕ(x)是单调的可导函数,且

ϕ

′

(

x

)

≠

0

,

又设

f

[

ϕ

(

t

)

]

ϕ

′

(

t

)

\\phi '(x)\\neq 0,又设f[\\phi (t)]\\phi'(t)

ϕ′(x)=0,又设f[ϕ(t)]ϕ′(t)具有原函数,则又换元公式:

∫

f

(

x

)

d

x

=

[

∫

f

[

ϕ

(

t

)

]

ϕ

′

(

t

)

d

t

]

t

=

ϕ

−

1

(

x

)

\\int f(x)dx=[\\int f[\\phi(t)]\\phi'(t)dt]_{t=\\phi^{-1}(x)}

∫f(x)dx=[∫f[ϕ(t)]ϕ′(t)dt]t=ϕ−1(x)​ 例21:求

∫

a

2

−

x

2

d

x

(

a

>

0

)

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

∫a2−x2

​dx(a>0) 令x=a

sin

⁡

t

,

−

π

2

≤

t

≤

π

2

\\sin t,-\\frac {\\pi} 2 \\leq t \\leq \\frac {\\pi} 2

sint,−2π​≤t≤2π​ 则积分表达式=

a

2

−

a

2

sin

⁡

2

t

=

a

1

−

sin

⁡

2

t

=

a

cos

⁡

t

\\sqrt{a^2-a^2\\sin^2t}=a\\sqrt{1-\\sin^2t}=a\\cos t

a2−a2sin2t

​=a1−sin2t

​=acost dx=

(

a

sin

⁡

t

)

′

d

t

=

a

cos

⁡

t

d

t

(a\\sin t)'dt=a\\cos t dt

(asint)′dt=acostdt 则原式=

a

cos

⁡

t

a

cos

⁡

t

d

t

=

a

2

∫

c

o

s

2

t

d

t

a\\cos t a\\cos t dt=a^2\\int cos^2tdt

acostacostdt=a2∫cos2tdt 根据例14,原式=

a

2

(

t

2

+

sin

⁡

2

t

4

)

+

C

a^2(\\frac t 2+\\frac {\\sin 2t} 4)+C

a2(2t​+4sin2t​)+C t =

arcsin

⁡

x

a

,

sin

⁡

t

=

x

a

,

cos

⁡

t

=

1

−

sin

⁡

2

t

=

a

2

−

x

2

a

2

=

a

2

−

x

2

a

\\arcsin \\frac x a,\\sin t=\\frac x a,\\cos t=\\sqrt{1-\\sin^2 t}=\\sqrt{\\frac {a^2-x^2}{a^2}}=\\frac {\\sqrt {a^2-x^2}}{a}

arcsinax​,sint=ax​,cost=1−sin2t

​=a2a2−x2​

​=aa2−x2

​​ 原式=

a

2

arcsin

⁡

x

a

÷

2

+

x

a

2

−

x

2

÷

2

+

C

a^2 \\arcsin{\\frac x a}\\div 2+x \\sqrt{a^2-x^2}\\div2+C

a2arcsinax​÷2+xa2−x2

​÷2+C 本题用到了倍角公式:

sin

⁡

α

cos

⁡

α

=

1

2

sin

⁡

2

α

\\sin\\alpha \\cos\\alpha=\\frac 1 2 \\sin 2\\alpha

sinαcosα=21​sin2α

例22:求

∫

d

x

x

2

+

a

2

,

a

>

0

\\int \\frac{dx}{\\sqrt{x^2+a^2}},a>0

∫x2+a2

​dx​,a>0 令x= a

tan

⁡

t

\\tan t

tant,则:dx=a

tan

⁡

′

t

d

t

=

a

sec

⁡

2

t

d

t

\\tan't dt=a\\sec^2t dt

tan′tdt=asec2tdt

x

2

+

a

2

=

a

t

a

n

2

+

1

=

a

sec

⁡

t

\\sqrt{x^2+a^2}=a\\sqrt{tan^2+1}=a \\sec t

x2+a2

​=atan2+1

​=asect 原式=

∫

a

sec

⁡

2

t

d

t

a

sec

⁡

t

=

∫

sec

⁡

t

d

t

\\int \\frac {a \\sec^2t dt}{a\\sec^t}=\\int \\sec t dt

∫asectasec2tdt​=∫sectdt 可以直接用上面例子的答案。 =

l

∣

n

∣

sec

⁡

t

+

tan

⁡

t

∣

+

C

l|n|\\sec t +\\tan t|+C

l∣n∣sect+tant∣+C 将t的角度转成x,对边是x,邻边是a,斜边是

a

2

+

x

2

\\sqrt{a^2+x^2}

a2+x2

​ 即:

sec

⁡

t

=

a

2

+

x

2

a

,

tan

⁡

t

=

x

a

\\sec t=\\frac {\\sqrt{a^2+x^2}} a,\\tan t=\\frac x a

sect=aa2+x2

​​,tant=ax​ 故原式=

l

n

∣

x

a

+

a

2

+

x

2

a

∣

+

C

ln|\\frac x a + \\frac {\\sqrt{a^2+x^2}}{a}|+C

ln∣ax​+aa2+x2

​​∣+C =

ln

⁡

∣

x

+

x

2

+

a

2

)

∣

−

ln

⁡

a

+

C

\\ln|x+\\sqrt{x^2+a^2)}|-\\ln a+ C

ln∣x+x2+a2)

​∣−lna+C =

ln

⁡

(

x

+

x

2

+

a

2

)

+

C

1

\\ln(x+\\sqrt{x^2+a^2})+C1

ln(x+x2+a2

​)+C1 常数可以忽略,

x

2

+

a

2

>

∣

x

∣

,故

x

2

+

a

2

+

x

>

0

\\sqrt{x^2+a^2} > |x|,故\\sqrt{x^2+a^2}+x > 0

x2+a2

​>∣x∣,故x2+a2

​+x>0

例23 求

∫

d

x

x

2

−

a

2

\\int \\frac {dx}{\\sqrt {x^2-a^2}}

∫x2−a2

​dx​

x

2

≥

a

2

x^2 \\ge a^2

x2≥a2故如果a=ay,则

1

≤

y

≤

∞

,

故可以让

y

=

sec

⁡

t

,

即

x

=

a

sec

⁡

t

1 \\le y \\le \\infty,故可以让y = \\sec t,即x = a\\sec t

1≤y≤∞,故可以让y=sect,即x=asect。

x

2

−

a

2

=

a

sec

⁡

2

t

−

1

=

a

tan

⁡

t

\\sqrt{x^2-a^2}=a\\sqrt{\\sec^2t-1}=a\\tan t

x2−a2

​=asec2t−1

​=atant

d

x

=

a

(

s

e

c

′

t

)

d

t

=

a

sec

⁡

t

tan

⁡

t

d

t

dx=a(sec't)dt=a \\sec t \\tan t dt

dx=a(sec′t)dt=asecttantdt 原式=

a

sec

⁡

t

tan

⁡

t

d

t

a

tan

⁡

t

=

sec

⁡

t

d

t

\\frac {a\\sec t\\tan t dt}{a \\tan t}=\\sec t dt

atantasecttantdt​=sectdt 用x代替t,从略。

第三节 分部积分法

∫

u

v

′

d

x

=

u

v

−

∫

u

′

v

d

x

=

u

v

−

∫

v

d

u

\\int uv'dx=uv-\\int u'vdx=uv-\\int vdu

∫uv′dx=uv−∫u′vdx=uv−∫vdu

例1:

∫

x

cos

⁡

x

d

x

\\int x\\cos xdx

∫xcosxdx 原式=

∫

x

(

sin

⁡

′

x

)

d

x

=

x

sin

⁡

x

−

∫

sin

⁡

x

d

x

=

x

sin

⁡

x

+

cos

⁡

x

+

C

\\int x(\\sin'x)dx=x\\sin x -\\int \\sin x dx=x\\sin x+\\cos x+C

∫x(sin′x)dx=xsinx−∫sinxdx=xsinx+cosx+C 例2:求

∫

x

e

x

d

x

\\int xe^xdx

∫xexdx 原式=

∫

x

(

e

x

)

′

=

x

e

x

−

∫

e

x

d

x

=

x

e

x

−

e

x

+

C

\\int x(e^x)'=xe^x-\\int e^x dx=xe^x-e^x+C

∫x(ex)′=xex−∫exdx=xex−ex+C

例3:求

∫

x

2

e

x

d

x

\\int x^2e^xdx

∫x2exdx 原式=

∫

x

2

(

e

x

)

′

d

x

=

x

2

e

x

−

∫

e

x

d

x

2

=

x

2

e

x

−

2

∫

x

e

x

d

x

\\int x^2(e^x)'dx=x^2e^x-\\int e^xdx^2=x^2e^x-2\\int xe^xdx

∫x2(ex)′dx=x2ex−∫exdx2=x2ex−2∫xexdx 便是例2了。

例子4:求

∫

x

ln

⁡

x

d

x

\\int x\\ln xdx

∫xlnxdx 原式=

∫

ln

⁡

x

(

x

2

2

)

′

=

x

2

2

ln

⁡

x

−

x

2

2

d

(

ln

⁡

x

)

=

x

2

2

ln

⁡

x

−

1

2

∫

x

d

x

=

x

2

2

ln

⁡

x

−

x

2

4

+

C

\\int \\ln x(\\frac {x^2}{2})'=\\frac{x^2}{2}\\ln x – \\frac{x^2}{2}d( \\ln x)=\\frac{x^2}{2}\\ln x-\\frac 1 2\\int xdx=\\frac{x^2}{2}\\ln x-\\frac{x^2}{4}+C

∫lnx(2x2​)′=2x2​lnx−2x2​d(lnx)=2x2​lnx−21​∫xdx=2x2​lnx−4x2​+C

例子5:求

∫

arccos

⁡

x

d

x

\\int \\arccos xdx

∫arccosxdx 原式=

∫

arccos

⁡

x

(

x

)

′

=

x

arccos

⁡

x

−

∫

x

d

(

arccos

⁡

x

)

=

x

arccos

⁡

x

+

∫

x

1

−

x

2

d

x

\\int \\arccos x(x)'=x\\arccos x-\\int x d(\\arccos x)=x\\arccos x+\\int \\frac{x}{\\sqrt{1-x^2}}dx

∫arccosx(x)′=xarccosx−∫xd(arccosx)=xarccosx+∫1−x2

​x​dx

x

d

x

=

d

(

x

2

−

1

)

÷

2

xdx= d(x^2-1) \\div 2

xdx=d(x2−1)÷2,代入后得:

=

x

arccos

⁡

x

−

∫

d

(

1

−

x

2

)

∗

(

1

−

x

2

)

−

0.5

÷

2

=x\\arccos x -\\int d(1-x^2 )* (1-x^2)^{-0.5}\\div 2

=xarccosx−∫d(1−x2)∗(1−x2)−0.5÷2

=

x

arccos

⁡

x

−

(

1

−

x

2

)

0.5

+

C

=x\\arccos x -(1-x^2 )^{0.5}+C

=xarccosx−(1−x2)0.5+C

例子6:

∫

x

arctan

⁡

x

d

x

\\int x \\arctan xdx

∫xarctanxdx 原式=

1

2

∫

arctan

⁡

(

x

2

)

′

d

x

=

1

2

(

x

2

arctan

⁡

x

−

x

2

d

(

arctan

⁡

x

)

)

\\frac 1 2 \\int \\arctan(x^2)'dx=\\frac 1 2(x^2\\arctan x-x^2d(\\arctan x))

21​∫arctan(x2)′dx=21​(x2arctanx−x2d(arctanx))

=

1

2

(

x

2

arctan

⁡

x

−

∫

x

2

÷

(

1

+

x

2

)

d

x

)

=\\frac 1 2(x^2\\arctan x-\\int x^2 \\div(1+x^2)dx)

=21​(x2arctanx−∫x2÷(1+x2)dx)

=

1

2

(

x

2

arctan

⁡

x

−

∫

(

1

−

1

1

+

x

2

)

d

x

)

=\\frac 1 2 (x^2\\arctan x-\\int (1 – \\frac 1 {1+x^2})dx)

=21​(x2arctanx−∫(1−1+x21​)dx)

1

2

(

x

2

arctan

⁡

x

−

x

+

arctan

⁡

x

)

+

C

\\frac 1 2(x^2\\arctan x – x +\\arctan x)+C

21​(x2arctanx−x+arctanx)+C

例子7:

∫

e

x

sin

⁡

x

d

x

\\int e^x\\sin x dx

∫exsinxdx 原式=

∫

sin

⁡

x

(

e

x

)

′

=

sin

⁡

x

e

x

−

∫

e

x

d

(

sin

⁡

x

)

=

sin

⁡

x

e

x

−

∫

e

x

cos

⁡

x

d

x

\\int \\sin x(e^x)'=\\sin x e^x-\\int e^xd(\\sin x)=\\sin xe^x-\\int e^x\\cos x dx

∫sinx(ex)′=sinxex−∫exd(sinx)=sinxex−∫excosxdx =

sin

⁡

x

e

x

−

∫

(

cos

⁡

x

(

e

x

)

′

)

\\sin xe^x-\\int(\\cos x (e^x)')

sinxex−∫(cosx(ex)′) =

sin

⁡

x

e

x

−

cos

⁡

x

e

x

+

∫

e

x

d

(

cos

⁡

x

)

\\sin xe^x-\\cos xe^x+\\int e^xd(\\cos x)

sinxex−cosxex+∫exd(cosx) =

sin

⁡

x

e

x

−

cos

⁡

x

e

x

−

∫

e

x

sin

⁡

x

d

x

\\sin xe^x-\\cos xe^x-\\int e^x\\sin xdx

sinxex−cosxex−∫exsinxdx第三项即原式 =

e

x

(

sin

⁡

x

−

cos

⁡

x

)

2

+

C

\\frac {e^x(\\sin x-\\cos x)}{2}+C

2ex(sinx−cosx)​+C

例子8:

∫

sec

⁡

3

x

d

x

\\int \\sec^3xdx

∫sec3xdx

原式=

∫

sec

⁡

x

(

tan

⁡

x

)

′

d

x

=

sec

⁡

x

tan

⁡

x

−

∫

tan

⁡

x

d

(

sec

⁡

x

)

\\int \\sec x (\\tan x)'dx=\\sec x \\tan x-\\int \\tan xd(\\sec x)

∫secx(tanx)′dx=secxtanx−∫tanxd(secx) =

sec

⁡

x

tan

⁡

x

−

∫

tan

⁡

2

x

sec

⁡

x

d

x

\\sec x \\tan x-\\int \\tan^2 x\\sec x dx

secxtanx−∫tan2xsecxdx =

sec

⁡

x

tan

⁡

x

−

∫

sec

⁡

x

(

sec

⁡

2

x

−

1

)

d

x

\\sec x \\tan x-\\int \\sec x(\\sec^2x-1) dx

secxtanx−∫secx(sec2x−1)dx =

sec

⁡

x

tan

⁡

x

−

原式

+

∫

sec

⁡

x

d

x

\\sec x \\tan x-原式+\\int \\sec x dx

secxtanx−原式+∫secxdx

→

原式

=

sec

⁡

x

tan

⁡

x

+

ln

⁡

∣

sec

⁡

x

+

tan

⁡

x

∣

2

+

C

\\to 原式=\\frac{\\sec x\\tan x +\\ln|\\sec x+\\tan x|}{2}+C

→原式=2secxtanx+ln∣secx+tanx∣​+C

例子9:

∫

e

x

d

x

\\int e^{\\sqrt x}dx

∫ex

​dx

令

t

=

x

→

x

=

t

2

,

d

x

=

2

t

d

t

令t=\\sqrt x\\to x=t^2,dx=2tdt

令t=x

​→x=t2,dx=2tdt 原式=

∫

e

t

2

t

d

t

=

∫

2

t

(

e

t

)

′

=

2

t

e

t

−

∫

e

t

d

(

2

t

)

\\int e^t2tdt=\\int2t(e^t)'=2te^t-\\int e^td(2t)

∫et2tdt=∫2t(et)′=2tet−∫etd(2t)

=

2

e

t

t

−

2

e

t

+

C

=2e^tt-2e^t+C

=2ett−2et+C 用x代替t,结束。

第四节 有理函数的积分

一,有理函数的积分

两个多项式的商

P

(

x

)

Q

(

x

)

\\frac {P(x)}{Q(x)}

Q(x)P(x)​称为有理函数,又称为有理分式。我们总假定P(x)和Q(x)之间没有公因式。当P(x)的次数小于Q(x)的次数时,称为真分式,否则称为假分式。假分式一定可以转化称一个多项式和一个真分式之和。令P(x)的最高次系数为a,Q(x)的最高次系数为b,则:P(x)减去

a

b

Q

(

x

)

\\frac {a}{b}Q(x)

ba​Q(x)后,最高次数减少1。

对于真分式

P

(

x

)

Q

(

x

)

,

Q

(

x

)

=

Q

1

(

x

)

Q

2

(

x

)

,且

Q

1

和

Q

2

没有公因式,那么它可以拆分两个真分式之和

\\frac{P(x)}{Q(x)},Q(x)=Q_1(x)Q_2(x),且Q_1和Q_2没有公因式,那么它可以拆分两个真分式之和

Q(x)P(x)​,Q(x)=Q1​(x)Q2​(x),且Q1​和Q2​没有公因式,那么它可以拆分两个真分式之和

P

(

x

)

Q

(

x

)

=

P

1

(

x

)

Q

1

(

x

)

+

P

2

(

x

)

Q

2

(

x

)

\\frac {P(x)}{Q(x)}=\\frac{P_1(x)}{Q_1(x)}+\\frac{P_2(x)}{Q_2(x)}

Q(x)P(x)​=Q1​(x)P1​(x)​+Q2​(x)P2​(x)​

例1:求

∫

x

+

1

x

2

−

5

x

+

6

d

x

\\int \\frac{x+1}{x^2-5x+6}dx

∫x2−5x+6x+1​dx Q1=x-2,Q2=x-3。用AB代替P1,P2。 A(x-2)+B(x-3)=x+1 根据x的系数:A+B=1

→

\\to

→ 2A+2B=2 根据常数:-2A-3B=1

→

\\to

→ -2-B=1

→

\\to

→ B=-3

→

\\to

→ A=4 原式=

∫

4

x

−

3

d

x

−

∫

3

x

−

2

d

x

\\int \\frac 4 {x-3}dx-\\int\\frac 3 {x-2}dx

∫x−34​dx−∫x−23​dx

=

4

∫

d

(

x

−

3

)

x

−

3

−

3

∫

d

(

x

−

2

)

x

−

2

=4\\int \\frac{d(x-3)}{x-3}-3\\int \\frac {d(x-2)}{x-2}

=4∫x−3d(x−3)​−3∫x−2d(x−2)​

=

4

ln

⁡

(

x

−

3

)

−

3

ln

⁡

(

x

−

2

)

+

C

=4\\ln(x-3)-3\\ln(x-2)+C

=4ln(x−3)−3ln(x−2)+C

例2:求

∫

x

+

2

(

2

x

+

1

)

(

x

2

+

x

+

1

)

d

x

\\int \\frac{x+2}{(2x+1)(x^2+x+1)}dx

∫(2x+1)(x2+x+1)x+2​dx 令积分表达式=

A

2

x

+

1

+

B

x

+

D

x

2

+

x

+

1

\\frac {A}{2x+1}+\\frac{Bx+D}{x^2+x+1}

2x+1A​+x2+x+1Bx+D​ x的平方的系数:A+2B=0 式子一 x的系数:A+B+2D=1 式子二 常数:A+D=2 式子三 式子一减去式子二:B-2D+1=0 式子二减去式子三:

B

+

D

+

1

=

0

→

2

B

+

2

D

+

2

=

0

B+D+1=0\\to 2B+2D+2=0

B+D+1=0→2B+2D+2=0 相加:3B+3=0,即B=-1,D=0,A=2 原式=

∫

2

2

x

+

1

d

x

+

∫

−

x

x

2

+

x

+

1

d

x

\\int \\frac {2}{2x+1}dx+\\int \\frac{-x}{x^2+x+1}dx

∫2x+12​dx+∫x2+x+1−x​dx

∫

2

2

x

+

1

d

x

=

∫

1

2

x

+

1

d

(

2

x

+

1

)

=

ln

⁡

∣

2

x

+

1

∣

+

C

\\int \\frac 2 {2x+1}dx=\\int \\frac 1 {2x+1}d(2x+1)=\\ln|2x+1|+C

∫2x+12​dx=∫2x+11​d(2x+1)=ln∣2x+1∣+C

∫

−

x

x

2

+

x

+

1

d

x

=

−

1

2

∫

(

2

x

+

1

)

−

1

x

2

+

x

+

1

d

x

\\int \\frac{-x}{x^2+x+1}dx=-\\frac 1 2\\int \\frac{(2x+1)-1}{x^2+x+1}dx

∫x2+x+1−x​dx=−21​∫x2+x+1(2x+1)−1​dx =

−

1

2

∫

d

(

x

2

+

x

+

1

)

x

2

+

x

+

1

+

1

2

∫

1

x

2

+

x

+

1

-\\frac 1 2\\int\\frac {d(x^2+x+1)}{x^2+x+1}+\\frac 1 2\\int \\frac 1 {x^2+x+1}

−21​∫x2+x+1d(x2+x+1)​+21​∫x2+x+11​ =

−

1

2

ln

⁡

(

x

2

+

x

+

1

)

+

1

2

∫

1

(

x

+

0.5

)

2

+

0.75

2

d

x

-\\frac 1 2\\ln(x^2+x+1)+\\frac 1 2 \\int \\frac 1 {(x+0.5)^2+0.75^2}dx

−21​ln(x2+x+1)+21​∫(x+0.5)2+0.7521​dx 令右半部分是式子四。 式子4=

3

arctan

⁡

2

x

+

1

3

+

C

\\sqrt 3 \\arctan \\frac {2x+1}{\\sqrt 3}+C

3

​arctan3

​2x+1​+C 故原式=

ln

⁡

(

2

x

+

1

)

−

1

2

ln

⁡

(

x

2

+

x

+

1

)

+

3

a

r

c

t

a

n

2

x

+

1

3

+

C

\\ln(2x+1)-\\frac 1 2\\ln(x^2+x+1)+\\sqrt 3 arctan \\frac {2x+1}{\\sqrt 3}+C

ln(2x+1)−21​ln(x2+x+1)+3

​arctan3

​2x+1​+C

例3:求

∫

x

−

3

(

x

−

1

)

(

x

2

−

1

)

d

x

\\int \\frac {x-3}{(x-1)(x^2-1)}dx

∫(x−1)(x2−1)x−3​dx 由于x-1和

x

2

−

1

x^2-1

x2−1有公因数,故需要在分解。

Q

=

(

x

−

1

)

2

(

x

+

1

)

Q=(x-1)^2(x+1)

Q=(x−1)2(x+1) 积分表达式=

A

x

+

B

(

x

−

1

)

2

+

D

x

+

1

\\frac {Ax+B}{(x-1)^2}+\\frac D {x+1}

(x−1)2Ax+B​+x+1D​ 则

x

2

的系数为:

x^2的系数为:

x2的系数为:A+D=0 则x的系数为:A+B-2D=1 则常数为:B +D =-3 从而解得 A=1,B =-2,D=-1

∫

x

−

2

(

x

−

1

)

2

d

x

\\int \\frac {x-2}{(x-1)^2}dx

∫(x−1)2x−2​dx =

∫

1

x

−

1

d

x

−

∫

d

x

(

x

−

1

)

2

\\int \\frac 1 {x-1}dx-\\int \\frac {dx}{(x-1)^2}

∫x−11​dx−∫(x−1)2dx​ =

∫

1

x

−

1

d

(

x

−

1

)

−

∫

d

(

x

−

1

)

(

x

−

1

)

2

\\int \\frac 1 {x-1}d(x-1)-\\int \\frac {d(x-1)}{(x-1)^2}

∫x−11​d(x−1)−∫(x−1)2d(x−1)​ =

ln

⁡

∣

x

−

1

∣

+

(

x

−

1

)

−

1

+

C

\\ln|x-1|+(x-1)^{-1}+C

ln∣x−1∣+(x−1)−1+C

∫

−

1

x

+

1

d

(

x

+

1

)

=

−

∣

l

n

(

x

+

1

)

∣

+

C

\\int \\frac {-1}{x+1}d(x+1)=-|ln(x+1)|+C

∫x+1−1​d(x+1)=−∣ln(x+1)∣+C 故原式=

ln

⁡

∣

x

−

1

∣

+

(

x

−

1

)

−

1

−

∣

l

n

(

x

+

1

)

∣

+

C

\\ln|x-1|+(x-1)^{-1}-|ln(x+1)|+C

ln∣x−1∣+(x−1)−1−∣ln(x+1)∣+C

有公因式会如何?

假设积分表达为:

A

x

+

B

x

2

−

1

+

D

x

−

1

\\frac {Ax+B}{x^2-1}+\\frac {D}{x-1}

x2−1Ax+B​+x−1D​

(

A

x

+

B

)

(

x

−

1

)

+

D

(

x

2

−

1

)

=

x

−

3

(Ax+B)(x-1)+D(x^2-1)=x-3

(Ax+B)(x−1)+D(x2−1)=x−3

→

A

x

2

+

B

x

−

A

x

−

B

+

D

x

2

−

D

=

x

−

3

\\to Ax^2+Bx-Ax-B+Dx^2-D=x-3

→Ax2+Bx−Ax−B+Dx2−D=x−3 根据

x

2

x^2

x2的系数。A+D=0 式子一 根据x的系数,B-A=1。式子二 根据常数B+D=3 式子三 式子三-式子二=D+A=2 和式子一矛盾

二、可化为有理函数的积分举例

例4 :求

∫

1

+

sin

⁡

x

sin

⁡

x

(

1

+

cos

⁡

x

)

\\int \\frac{1+\\sin x}{\\sin x(1+\\cos x)}

∫sinx(1+cosx)1+sinx​ 正余弦都可以半角的正切表示,令

t

=

tan

⁡

x

2

,

x

=

2

arctan

⁡

t

,

d

x

=

2

1

+

t

2

d

t

t=\\tan \\frac x 2,x=2\\arctan t,dx=\\frac 2 {1+t^2}dt

t=tan2x​,x=2arctant,dx=1+t22​dt。

sin

⁡

x

=

2

t

1

+

t

2

\\sin x=\\frac {2t}{1+t^2}

sinx=1+t22t​

cos

⁡

x

=

1

−

t

2

1

+

t

2

\\cos x=\\frac{1-t^2}{1+t^2}

cosx=1+t21−t2​ 分子=

1

+

t

2

+

2

t

1

+

t

2

2

1

+

t

2

\\frac {1+t^2+2t}{1+t^2}\\frac 2{1+t^2}

1+t21+t2+2t​1+t22​ 分母=

2

t

1

+

t

2

2

1

+

t

2

\\frac{2t}{1+t^2}\\frac 2 {1+t^2}

1+t22t​1+t22​ 故原式=

∫

t

2

+

2

t

+

1

2

t

d

t

=

1

2

(

∫

t

d

t

+

∫

2

d

t

+

∫

1

t

d

t

)

\\int\\frac{t^2+2t+1}{2t}dt=\\frac 1 2 (\\int tdt+\\int 2dt+\\int\\frac 1 tdt)

∫2tt2+2t+1​dt=21​(∫tdt+∫2dt+∫t1​dt)

=

1

4

t

2

+

t

+

1

2

ln

⁡

∣

t

∣

=\\frac 1 4 t^2+t +\\frac 1 2\\ln |t|

=41​t2+t+21​ln∣t∣+C 用x代替x就是正解。

例5:

∫

x

−

1

x

d

x

\\int \\frac {\\sqrt {x-1}}{x}dx

∫xx−1

​​dx 解:令

u

=

x

−

1

,

→

x

=

u

2

+

1

,

d

x

=

2

u

d

u

u=\\sqrt{x-1},\\to x=u^2+1,dx=2udu

u=x−1

​,→x=u2+1,dx=2udu 原式=

∫

u

u

2

+

1

2

u

d

u

=

2

∫

1

−

1

1

+

u

2

\\int \\frac u {u^2+1}2udu=2\\int 1-\\frac 1 {1+u^2}

∫u2+1u​2udu=2∫1−1+u21​

=

2

(

u

−

arctan

⁡

u

)

+

C

=2(u-\\arctan u)+C

=2(u−arctanu)+C

例6:求

∫

d

x

1

+

x

+

2

3

\\int \\frac {dx}{1+\\sqrt [3] {x+2}}

∫1+3x+2

​dx​ 令 u =

x

+

2

3

,

x

=

u

3

−

2

,

d

x

=

3

u

2

d

u

\\sqrt [3] {x+2},x=u^3-2,dx=3u^2du

3x+2

​,x=u3−2,dx=3u2du 原式=

3

u

2

1

+

u

d

u

=

3

∫

u

2

1

+

u

\\frac{3u^2}{1+u}du=3\\int\\frac {u^2}{1+u}

1+u3u2​du=3∫1+uu2​ =

3

∫

u

(

u

+

1

)

−

(

u

+

1

)

+

1

u

+

1

d

u

3\\int \\frac{u(u+1)-(u+1)+1}{u+1}du

3∫u+1u(u+1)−(u+1)+1​du =

3

∫

(

u

−

1

+

1

u

+

1

)

d

u

3\\int(u-1+\\frac 1{u+1})du

3∫(u−1+u+11​)du =

3

2

u

2

−

3

u

+

3

ln

⁡

∣

u

+

1

∣

)

+

C

\\frac 3 2u^2-3u+3\\ln|u+1|)+C

23​u2−3u+3ln∣u+1∣)+C 用x代替u便是正解。

例7:求

∫

d

x

(

1

+

x

3

)

x

\\int \\frac {dx}{(1+\\sqrt [3]x)\\sqrt x}

∫(1+3x

​)x

​dx​ 令

u

=

x

6

,

→

x

=

u

6

,

d

x

=

6

u

5

d

u

u=\\sqrt[6] x,\\to x=u^6,dx=6u^5du

u=6x

​,→x=u6,dx=6u5du 原式=

∫

6

u

5

(

1

+

u

2

)

u

3

d

u

=

6

∫

u

2

1

+

u

2

d

u

\\int \\frac {6u^5}{(1+u^2)u^3}du=6\\int\\frac{u^2}{1+u^2}du

∫(1+u2)u36u5​du=6∫1+u2u2​du

=

6

∫

(

1

−

1

1

+

u

2

)

d

u

=6\\int(1-\\frac 1 {1+u^2})du

=6∫(1−1+u21​)du =

6

(

u

−

arctan

⁡

u

)

+

C

6(u-\\arctan u)+C

6(u−arctanu)+C 用x代替u,便是正解。

例8:求

∫

1

x

1

+

x

x

\\int \\frac 1 x \\sqrt{\\frac{1+x}{x}}

∫x1​x1+x​

​ 令u=

1

+

x

x

,

→

x

u

2

=

1

+

x

,

x

=

1

u

2

−

1

\\sqrt{\\frac {1+x} x},\\to xu^2=1+x,x=\\frac 1 {u^2-1}

x1+x​

​,→xu2=1+x,x=u2−11​ 根据导数的除法法则,

d

x

=

−

2

u

(

u

2

−

1

)

2

dx=-\\frac{2u}{(u^2-1)^2}

dx=−(u2−1)22u​ 原式=

−

∫

(

u

2

−

1

)

u

2

u

(

u

2

−

1

)

2

d

u

=

−

2

∫

u

2

u

2

−

1

d

u

-\\int(u^2-1)u \\frac {2u}{(u^2-1)^2}du=-2\\int\\frac{u^2}{u^2-1}du

−∫(u2−1)u(u2−1)22u​du=−2∫u2−1u2​du =-2

∫

(

u

2

−

1

)

+

1

u

2

−

1

d

u

\\int \\frac{(u^2-1)+1}{u^2-1}du

∫u2−1(u2−1)+1​du =

−

2

(

u

+

∫

1

u

2

−

1

d

u

)

-2(u+\\int\\frac {1}{u^2-1}du)

−2(u+∫u2−11​du) =

−

(

2

u

+

ln

⁡

∣

1

−

u

1

+

u

∣

)

+

C

-(2u+\\ln|\\frac {1-u}{1+u}|)+C

−(2u+ln∣1+u1−u​∣)+C

五 积分表的使用

初等函数是由幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数及常数经过有限次有理运算和函数复合得到的函数,并能用解析式表示。

扩展阅读

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测试环境

操作系统:win7 开发环境: VS2019 C++17 或者 操作系统:win10 开发环境: VS2022 C++17 如无特殊说明,本算法用**C++**实现。

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