第 0 部分
先看全貌
先用两个例子看懂“积分”在做什么,再看全章地图、和李林讲义的对应、真题考了什么,最后是 14 天的学习计划。
0.1 积分在干什么:“求导倒过来”和“求面积”
积分这一章其实只回答两个问题。
已知导数,求原来的函数。 汽车的速度是 v ( t ) = 2 t v(t)=2t v ( t ) = 2 t ,它走过的路程 s ( t ) s(t) s ( t ) 是多少?因为 s ′ ( t ) = v ( t ) s'(t)=v(t) s ′ ( t ) = v ( t ) ,要找一个求导后等于 2 t 2t 2 t 的函数,答案是 t 2 t^2 t 2 (再加任意常数)。这叫不定积分 ,写作 ∫ 2 t d t = t 2 + C \int2t\dt=t^2+C ∫ 2 t d t = t 2 + C 。
求曲线下面的面积。 曲线 y = x 2 y=x^2 y = x 2 与 x x x 轴、直线 x = 1 x=1 x = 1 围成的那块图形,边是弯的,高中公式算不了。办法是把它切成很多细长条,每条近似成矩形,矩形面积加起来,条数越多越准,取极限就是面积。这叫定积分 ,写作 ∫ 0 1 x 2 d x \int_0^1x^2\dx ∫ 0 1 x 2 d x 。
大白话:积分就是“把很多很小的量加起来” ——路程是每一小段时间里走的路加起来,面积是每一细条的面积加起来。
x y O y =x ²8 个矩形面积和 = 0.3984 真正的面积 = 1/3 ≈ 0.3333 1/2 1 把曲边图形切成 n n n 条,矩形面积和随 n n n 增大越来越接近真正的面积 1 3 \frac13 3 1 。
t y O C =-1C =0C =1C =2t =1 处四条切线(虚线)互相平行:斜率都是 2−1 1 t 2 + C t^2+C t 2 + C 是一族曲线:C C C 取不同的值,曲线上下平移,每一条的斜率都是 2 t 2t 2 t 。
这两件事看起来毫不相干,却被一个公式连在一起:
牛顿—莱布尼茨公式(整章的主心骨)
∫ a b f ( x ) d x = F ( b ) − F ( a ) , \displaystyle \int_a^bf(x)\dx=F(b)-F(a), ∫ a b f ( x ) d x = F ( b ) − F ( a ) , 其中 F ′ ( x ) = f ( x ) . \displaystyle \text{其中 }F'(x)=f(x). 其中 F ′ ( x ) = f ( x ) .
求面积(定积分)只要先找到一个原函数(不定积分),再代两个数相减。例如 ∫ 0 1 x 2 d x = x 3 3 ∣ 0 1 = 1 3 \int_0^1x^2\dx=\frac{x^3}3\Big|_0^1=\frac13 ∫ 0 1 x 2 d x = 3 x 3 0 1 = 3 1 。所以第 1、2 部分先练“找原函数”,第 3、4 部分再学定积分。
一句话记住 积分 = 求导的逆运算 = 无数个小量之和的极限。 不定积分是一族函数(带
+ C +C + C ),定积分是一个数。这一章的所有题,最后都落在“找原函数”这一步的手上功夫上,所以第 9 部分专门总结了“被积函数长什么样,就用什么方法”。
0.2 全章地图,和李林讲义怎么配合
八个部分的先后顺序就是学习顺序:不定积分(1、2)是一切积分计算的手上功夫;定积分(3、4)在它上面加了“上下限”和几何意义;变限积分(5)把定积分变回一个函数;反常积分(6)是积分区间或被积函数“无穷”时的定积分;应用(7)和证明(8)是综合。点方块跳到对应部分。
八个部分之后是复习用的五个部分:第 9 部分 看形状选方法(总表) 、第 10 部分 二级结论与常用反例 、第 11 部分 易错清单 、第 12 部分 真题索引 、第 13 部分 综合练习 。
和《26 李林高数辅导讲义》第五、六章的对照
讲义第五章“不定积分”(书 p110—127)两节,第六章“定积分及其应用”(书 p128—173)五节。本页负责“从零讲懂 + 真题”,讲义负责“题型归纳 + 更多练习”。每部分开头的“考试要求”框是讲义这两章开头的考试要求(大纲原文)里和这一部分有关的几条;正文里标着“李林 第六章 §1 例 5 · p134”的例题,是从讲义里挑出来、按本页的写法重新讲一遍的(§1 表示第一节,每节的例题各自从 1 编号),可以对照原书看。
讲义两章的考试要求(大纲原文) 第五章 不定积分
理解原函数与不定积分的概念。
掌握不定积分的基本公式与性质。
掌握不定积分的换元积分法与分部积分法。
会求有理函数、三角函数有理式和简单无理函数的不定积分。
第六章 定积分及其应用
理解定积分的概念,掌握定积分的性质及定积分中值定理。
掌握牛顿—莱布尼茨公式。
掌握定积分的换元积分法与分部积分法。
会求有理函数、三角函数有理式和简单无理函数的定积分。
会求积分变限函数的导数。
理解反常积分的概念,了解反常积分收敛的比较判别法,会计算反常积分。
掌握用定积分表达和计算一些几何量与物理量。
会求平面图形的面积、旋转体的体积和函数的平均值。
(仅数学一、数学二要求)会求平面曲线的弧长、旋转体的侧面积、平行截面面积为已知的立体体积。
(仅数学一、数学二要求)会求功、引力、压力、质心坐标、形心等。
“理解、掌握”要求会做题,“了解”只要求知道结论。
0.3 考情:考多少、考在哪
按 Maki《真题分类精解》书末的“年份索引”逐题核对,2010—2026 年数一卷子里,归在一元积分各讲(不定积分、定积分、变限积分、反常积分、积分应用、积分等式与不等式)下的题共 39 道、249 分,平均每年约 15 分 ,每一年都有。全部 39 道都在本页讲过。
从表里能看出四件事:
定积分的计算(第 4 部分)和变限积分(第 5 部分)是分数所在 :几乎每年一道填空在“算一个定积分”,变限积分则以选择(奇偶、极值、阶)和解答(求极限、求极值)两种形式反复出现。
不定积分单独出题少,但它是地基 :17 年里数一只有 2014(10)、2016(2)、2018(15) 三道,可所有定积分、反常积分、应用题最后都要回到“找原函数”。
反常积分只出选择、填空 :判敛(2010(3)、2016(1))和计算(2013(12)、2021(11)、2026(14)),方法固定。
证明题是近年数一压轴 :泰勒公式证积分不等式(2022(20)、2024(19),五星)、罗尔定理(2026(20))。几何应用数一 17 年只考过一次(2011(9) 弧长),物理应用数一没考过,但大纲要求会,所以第 7 部分用数二真题补齐。
逐年分布
0.4 接下来 14 天怎么学
你的《05-进度表》把一元积分排在 W5—W6:W5 不定积分(换元、分部),W6 定积分、反常积分、几何应用。下面把这两周拆成 14 天,每天约 2 小时,沿用《02-方法卡》的例题桥接法:例题先遮住解答自己做 5 分钟,再点开对照 ;做完标 ⭕ / △ / ✗,△ 和 ✗ 第二天重做;卡住的地方在《04-错题断点本》只记一行“卡在哪一步、缺什么、怎么补”,不抄题。
日期怎么定 进度表原定的 W5—W6 是 8/16—8/29,已经过去了;9/23 以后的日子又被《微分方程》《三重积分与线面积分》《无穷级数》《线性代数》《概率论与数理统计》几份笔记的计划占满,所以上表和《极限》笔记一样只写第几天,不写日期。
如果暑假已经按进度表学过积分 :把它当二轮复习,压缩成 7 天(每天做上表两天的量,只做“当天必做的真题”和做错过的例题),重点放在第 9 部分的总表上。
如果还没真正学过 :积分是微分方程、重积分、曲线曲面积分、级数、概率的共同工具,建议接在《极限》笔记的 14 天后面学完,其他计划整体顺延;按进度表的红线规则处理:砍题量,不砍覆盖 。
时间不够时 每天优先做完“当天必做的真题”;本页的普通例题每节只做第一道。标“数二”“数三”的真题(多数在第 7 部分)是补题型用的,时间紧可以只看不做。第 9 部分(看形状选方法)一定要看,它是整章的索引。
基础薄弱先看这里 如果求导公式、三角公式、配方已经记不清了,第一天只读 A 部分 。积分表就是求导表倒过来读,A 部分从这里讲起。
0.5 小结:看到这类题,去哪一部分
题目里的说法 换成什么(去哪一部分) 例子
“求 ∫ f ( x ) d x \int f(x)\dx ∫ f ( x ) d x ” 第 2 部分;先查第 9 部分 9.1 的总表选方法 例 2.24
“F ( x ) F(x) F ( x ) 是 f ( x ) f(x) f ( x ) 的一个原函数”(分段) 第 1 部分 1.5:分段积分,连续性粘常数 例 1.11
“求 ∫ a b f ( x ) d x \int_a^bf(x)\dx ∫ a b f ( x ) d x ” 第 4 部分;9.2 的总表:先看对称、周期、几何意义 例 4.11
“比较几个定积分的大小” 第 3 部分 3.4:回到被积函数 例 3.11
lim 1 n ∑ f ( k n ) \lim\frac1n\sum f\big(\frac kn\big) lim n 1 ∑ f ( n k ) 第 3 部分 3.5:定积分定义 例 3.13
含 ∫ a x f ( t ) d t \int_a^xf(t)\dt ∫ a x f ( t ) d t 的极限、极值、奇偶 第 5 部分:先求导 例 5.27
积分限有 ∞ \infty ∞ ,或被积函数在区间内无界 第 6 部分:找问题点、拆段 例 6.7
面积、体积、弧长、功、压力 第 7 部分:画图、写微元 例 7.18
“证明 ∣ ∫ ⋯ ∣ ≤ ⋯ \left|\int\cdots\right|\le\cdots ∫ ⋯ ≤ ⋯ ”“存在 ξ \xi ξ ” 第 8 部分:中值定理、泰勒、单调性 例 8.6
学完了,标记这一部分
A 部分
零基础补课:积分要用的求导、三角与代数
积分是求导倒过来,所以先把求导公式、链式法则、三角公式和几种代数变形补齐。这一部分只讲积分马上要用到的东西。
A.1 求导公式倒过来读:积分表是从哪来的
大白话:求导是“已知函数,求它的斜率函数”;积分是反过来,“已知斜率函数,求原来的函数” 。所以每一条求导公式倒过来读,就是一条积分公式。例如 ( sin x ) ′ = cos x (\sin x)'=\cos x ( sin x ) ′ = cos x ,倒过来就是“cos x \cos x cos x 是谁的导数?是 sin x \sin x sin x 的”,记作 ∫ cos x d x = sin x + C \int\cos x\dx=\sin x+C ∫ cos x d x = sin x + C 。
x O F (x )=sin x f (x )=cos x 斜率 −1 ↔ 高度 −1 斜率 0 高度 0 π/2 π 3π/2 2π 上面的 F ( x ) = sin x F(x)=\sin x F ( x ) = sin x 在每一点的斜率,正好等于下面 f ( x ) = cos x f(x)=\cos x f ( x ) = cos x 在同一点的高度:F ′ = f F'=f F ′ = f ,F F F 叫 f f f 的原函数。
求导表与积分表对照(左边求导,右边倒过来)
求导 倒过来:积分
( x a + 1 ) ′ = ( a + 1 ) x a (x^{a+1})'=(a+1)x^a ( x a + 1 ) ′ = ( a + 1 ) x a ∫ x a d x = x a + 1 a + 1 + C ( a ≠ − 1 ) \int x^a\dx=\dfrac{x^{a+1}}{a+1}+C\ (a\ne-1) ∫ x a d x = a + 1 x a + 1 + C ( a = − 1 )
( ln ∣ x ∣ ) ′ = 1 x (\ln|x|)'=\dfrac1x ( ln ∣ x ∣ ) ′ = x 1 ∫ 1 x d x = ln ∣ x ∣ + C \int\dfrac1x\dx=\ln|x|+C ∫ x 1 d x = ln ∣ x ∣ + C
( e x ) ′ = e x (\e^x)'=\e^x ( e x ) ′ = e x ,( a x ) ′ = a x ln a (a^x)'=a^x\ln a ( a x ) ′ = a x ln a ∫ e x d x = e x + C \int\e^x\dx=\e^x+C ∫ e x d x = e x + C ,∫ a x d x = a x ln a + C \int a^x\dx=\dfrac{a^x}{\ln a}+C ∫ a x d x = ln a a x + C
( sin x ) ′ = cos x (\sin x)'=\cos x ( sin x ) ′ = cos x ,( cos x ) ′ = − sin x (\cos x)'=-\sin x ( cos x ) ′ = − sin x ∫ cos x d x = sin x + C \int\cos x\dx=\sin x+C ∫ cos x d x = sin x + C ,∫ sin x d x = − cos x + C \int\sin x\dx=-\cos x+C ∫ sin x d x = − cos x + C
( tan x ) ′ = sec 2 x (\tan x)'=\sec^2x ( tan x ) ′ = sec 2 x ,( cot x ) ′ = − csc 2 x (\cot x)'=-\csc^2x ( cot x ) ′ = − csc 2 x ∫ sec 2 x d x = tan x + C \int\sec^2x\dx=\tan x+C ∫ sec 2 x d x = tan x + C ,∫ csc 2 x d x = − cot x + C \int\csc^2x\dx=-\cot x+C ∫ csc 2 x d x = − cot x + C
( sec x ) ′ = sec x tan x (\sec x)'=\sec x\tan x ( sec x ) ′ = sec x tan x ∫ sec x tan x d x = sec x + C \int\sec x\tan x\dx=\sec x+C ∫ sec x tan x d x = sec x + C
( arctan x ) ′ = 1 1 + x 2 (\arctan x)'=\dfrac1{1+x^2} ( arctan x ) ′ = 1 + x 2 1 ,( arcsin x ) ′ = 1 1 − x 2 (\arcsin x)'=\dfrac1{\sqrt{1-x^2}} ( arcsin x ) ′ = 1 − x 2 1 ∫ d x 1 + x 2 = arctan x + C \int\dfrac{\dx}{1+x^2}=\arctan x+C ∫ 1 + x 2 d x = arctan x + C ,∫ d x 1 − x 2 = arcsin x + C \int\dfrac{\dx}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin x+C ∫ 1 − x 2 d x = arcsin x + C
sec x = 1 cos x \sec x=\frac1{\cos x} sec x = c o s x 1 ,csc x = 1 sin x \csc x=\frac1{\sin x} csc x = s i n x 1 ,cot x = cos x sin x \cot x=\frac{\cos x}{\sin x} cot x = s i n x c o s x 。ln ∣ x ∣ \ln|x| ln ∣ x ∣ 的绝对值是因为 x < 0 x<0 x < 0 时 ( ln ( − x ) ) ′ = 1 x (\ln(-x))'=\frac1x ( ln ( − x ) ) ′ = x 1 也成立。
方法卡 · 用求导验算不定积分
什么时候用
算完任何一个不定积分;或者选择题问“哪一个是
f f f 的原函数”。
步骤
把得到的答案 F ( x ) F(x) F ( x ) 求导。
化简 F ′ ( x ) F'(x) F ′ ( x ) ,看它是不是等于被积函数 f ( x ) f(x) f ( x ) 。
相等就对了;不等说明中间某一步错了(常见:系数、符号、漏乘内层导数)。
最容易错
忘了
+ C +C + C ;
∫ 1 x d x \int\frac1x\dx ∫ x 1 d x 漏写绝对值;
∫ x − 1 d x \int x^{-1}\dx ∫ x − 1 d x 硬套幂函数公式得到
x 0 0 \frac{x^0}0 0 x 0 。
例 A.1 基础
倒着读求导公式,写出:(1)
∫ x 3 d x \int x^3\dx ∫ x 3 d x ;(2)
∫ d x x 2 \int\dfrac{\dx}{x^2} ∫ x 2 d x ;(3)
∫ x d x \int\sqrt x\dx ∫ x d x ;(4)
∫ ( 3 cos x − 2 1 + x 2 ) d x \int\left(3\cos x-\dfrac2{1+x^2}\right)\dx ∫ ( 3 cos x − 1 + x 2 2 ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 幂函数。 ∫ x 3 d x = x 4 4 + C \int x^3\dx=\dfrac{x^4}4+C ∫ x 3 d x = 4 x 4 + C 。
( x 4 4 ) ′ = x 3 \big(\frac{x^4}4\big)'=x^3 ( 4 x 4 ) ′ = x 3 :指数加 1,再除以新的指数。
② (2) 先写成负指数。 1 x 2 = x − 2 \dfrac1{x^2}=x^{-2} x 2 1 = x − 2 ,∫ x − 2 d x = x − 1 − 1 + C = − 1 x + C \int x^{-2}\dx=\dfrac{x^{-1}}{-1}+C=-\dfrac1x+C ∫ x − 2 d x = − 1 x − 1 + C = − x 1 + C 。
幂函数公式对负指数同样成立,只要指数不是 − 1 -1 − 1 。
③ (3) 写成分数指数。 x = x 1 2 \sqrt x=x^{\frac12} x = x 2 1 ,∫ x 1 2 d x = x 3 2 3 2 + C = 2 3 x 3 2 + C \int x^{\frac12}\dx=\dfrac{x^{\frac32}}{\frac32}+C=\dfrac23x^{\frac32}+C ∫ x 2 1 d x = 2 3 x 2 3 + C = 3 2 x 2 3 + C 。
根式先改成分数指数,才能套公式。
④ (4) 常数倍和加减可以拆开。 3 ∫ cos x d x − 2 ∫ d x 1 + x 2 = 3 sin x − 2 arctan x + C 3\int\cos x\dx-2\int\dfrac{\dx}{1+x^2}=3\sin x-2\arctan x+C 3 ∫ cos x d x − 2 ∫ 1 + x 2 d x = 3 sin x − 2 arctan x + C 。
求导对加减、常数倍是“线性”的,积分也是(1.3 节);两个积分各带一个常数,合起来写一个 C C C 。
答案:(1) x 4 4 + C \frac{x^4}4+C 4 x 4 + C ;(2) − 1 x + C -\frac1x+C − x 1 + C ;(3) 2 3 x 3 2 + C \frac23x^{\frac32}+C 3 2 x 2 3 + C ;(4) 3 sin x − 2 arctan x + C 3\sin x-2\arctan x+C 3 sin x − 2 arctan x + C
例 A.2 基础
用求导验证:(1)
∫ ln x d x = x ln x − x + C \int\ln x\dx=x\ln x-x+C ∫ ln x d x = x ln x − x + C ;(2)
∫ tan x d x = − ln ∣ cos x ∣ + C \int\tan x\dx=-\ln|\cos x|+C ∫ tan x d x = − ln ∣ cos x ∣ + C 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 求导。 ( x ln x − x ) ′ = ln x + x ⋅ 1 x − 1 = ln x (x\ln x-x)'=\ln x+x\cdot\dfrac1x-1=\ln x ( x ln x − x ) ′ = ln x + x ⋅ x 1 − 1 = ln x 。
x ln x x\ln x x ln x 是乘积,用乘积法则 ( u v ) ′ = u ′ v + u v ′ (uv)'=u'v+uv' ( uv ) ′ = u ′ v + u v ′ 。
② (2) 求导。 ( − ln ∣ cos x ∣ ) ′ = − ( cos x ) ′ cos x = − − sin x cos x = tan x (-\ln|\cos x|)'=-\dfrac{(\cos x)'}{\cos x}=-\dfrac{-\sin x}{\cos x}=\tan x ( − ln ∣ cos x ∣ ) ′ = − cos x ( cos x ) ′ = − cos x − sin x = tan x 。
( ln ∣ u ∣ ) ′ = u ′ u (\ln|u|)'=\frac{u'}u ( ln ∣ u ∣ ) ′ = u u ′ 是链式法则(A.2 节);这条公式以后会反复用。
答案:两式求导后都等于被积函数,成立
A.2 链式法则与微分:凑微分的前身
大白话:复合函数求导 = 外层的导数(里面原样照抄)× 里层的导数 。比如 ( sin x 2 ) ′ = cos x 2 ⋅ 2 x (\sin x^2)'=\cos x^2\cdot2x ( sin x 2 ) ′ = cos x 2 ⋅ 2 x 。倒过来:如果被积函数长成“某个函数的导数(里面是 x 2 x^2 x 2 )× x 2 x^2 x 2 的导数”,它就是一个复合函数的导数,可以直接积出来——这就是第 2 部分的凑微分 。
x y O 斜率 cos 1 · 2 ≈ 1.08 y =sin x ²外层导数 cos u (u =x ²) × 里层导数 2x 1 2 y = sin x 2 y=\sin x^2 y = sin x 2 在 x = 1 x=1 x = 1 处的切线斜率是 cos 1 ⋅ 2 ≈ 1.08 \cos1\cdot2\approx1.08 cos 1 ⋅ 2 ≈ 1.08 :外层导数 cos ( x 2 ) \cos(x^2) cos ( x 2 ) 乘里层导数 2 x 2x 2 x 。
链式法则与微分记号
[ f ( φ ( x ) ) ] ′ = f ′ ( φ ( x ) ) φ ′ ( x ) , \displaystyle [f(\varphi(x))]'=f'(\varphi(x))\,\varphi'(x), [ f ( φ ( x )) ] ′ = f ′ ( φ ( x )) φ ′ ( x ) , d φ ( x ) = φ ′ ( x ) d x . \displaystyle \dd\varphi(x)=\varphi'(x)\dx. d φ ( x ) = φ ′ ( x ) d x .
“微分”d φ \dd\varphi d φ 就是“导数乘 d x \dd x d x ”。常用的几个,要能从左往右、也能从右往左读:
d ( x 2 ) = 2 x d x \dd(x^2)=2x\dx d ( x 2 ) = 2 x d x ,d ( x ) = d x 2 x \dd(\sqrt x)=\dfrac{\dx}{2\sqrt x} d ( x ) = 2 x d x ,d ( ln x ) = d x x \dd(\ln x)=\dfrac{\dx}x d ( ln x ) = x d x ,d ( e x ) = e x d x \dd(\e^x)=\e^x\dx d ( e x ) = e x d x ,d ( sin x ) = cos x d x \dd(\sin x)=\cos x\dx d ( sin x ) = cos x d x ,d ( cos x ) = − sin x d x \dd(\cos x)=-\sin x\dx d ( cos x ) = − sin x d x ,d ( tan x ) = sec 2 x d x \dd(\tan x)=\sec^2x\dx d ( tan x ) = sec 2 x d x ,d ( arctan x ) = d x 1 + x 2 \dd(\arctan x)=\dfrac{\dx}{1+x^2} d ( arctan x ) = 1 + x 2 d x ,d ( arcsin x ) = d x 1 − x 2 \dd(\arcsin x)=\dfrac{\dx}{\sqrt{1-x^2}} d ( arcsin x ) = 1 − x 2 d x ,d ( a x + b ) = a d x \dd(ax+b)=a\dx d ( a x + b ) = a d x 。
方法卡 · 复合函数求导(为凑微分打底)
什么时候用
函数是“一个函数套另一个函数”,如
e x 2 \e^{x^2} e x 2 、
ln ( 1 + x 2 ) \ln(1+x^2) ln ( 1 + x 2 ) 、
arcsin x \arcsin\sqrt x arcsin x 。
步骤
认出外层和里层:e x 2 \e^{x^2} e x 2 外层 e u \e^u e u ,里层 u = x 2 u=x^2 u = x 2 。
外层求导,里层原样照抄:e x 2 \e^{x^2} e x 2 。
乘上里层的导数:⋅ 2 x \cdot2x ⋅ 2 x 。套了几层就乘几次。
最容易错
漏乘里层导数(
( e 2 x ) ′ (\e^{2x})' ( e 2 x ) ′ 写成
e 2 x \e^{2x} e 2 x );
x \sqrt x x 的导数
1 2 x \frac1{2\sqrt x} 2 x 1 写成
1 2 x \frac12\sqrt x 2 1 x 。
例 A.3 基础
(1) 求导:
( e x 2 ) ′ \big(\e^{x^2}\big)' ( e x 2 ) ′ ,
[ ln ( 1 + x 2 ) ] ′ [\ln(1+x^2)]' [ ln ( 1 + x 2 ) ] ′ ,
( arcsin x ) ′ (\arcsin\sqrt x)' ( arcsin x ) ′ ;(2) 在括号里填函数,使等式成立:
x d x = d ( ) x\dx=\dd(\quad) x d x = d ( ) ,
d x x = d ( ) \dfrac{\dx}{\sqrt x}=\dd(\quad) x d x = d ( ) ,
sin 2 x d x = d ( ) \sin2x\dx=\dd(\quad) sin 2 x d x = d ( ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 前两个。 ( e x 2 ) ′ = e x 2 ⋅ 2 x \big(\e^{x^2}\big)'=\e^{x^2}\cdot2x ( e x 2 ) ′ = e x 2 ⋅ 2 x ;[ ln ( 1 + x 2 ) ] ′ = 1 1 + x 2 ⋅ 2 x = 2 x 1 + x 2 [\ln(1+x^2)]'=\dfrac1{1+x^2}\cdot2x=\dfrac{2x}{1+x^2} [ ln ( 1 + x 2 ) ] ′ = 1 + x 2 1 ⋅ 2 x = 1 + x 2 2 x 。
外层 e u \e^u e u 、ln u \ln u ln u 求导后,乘里层 u = x 2 u=x^2 u = x 2 、u = 1 + x 2 u=1+x^2 u = 1 + x 2 的导数 2 x 2x 2 x 。
② (1) 第三个套了两层。 ( arcsin x ) ′ = 1 1 − ( x ) 2 ⋅ 1 2 x = 1 2 x 1 − x (\arcsin\sqrt x)'=\dfrac1{\sqrt{1-(\sqrt x)^2}}\cdot\dfrac1{2\sqrt x}=\dfrac1{2\sqrt x\sqrt{1-x}} ( arcsin x ) ′ = 1 − ( x ) 2 1 ⋅ 2 x 1 = 2 x 1 − x 1 。
外层 arcsin u \arcsin u arcsin u 的导数 1 1 − u 2 \frac1{\sqrt{1-u^2}} 1 − u 2 1 ,u = x u=\sqrt x u = x ;再乘 ( x ) ′ = 1 2 x (\sqrt x)'=\frac1{2\sqrt x} ( x ) ′ = 2 x 1 。2020 数二(3) 就是把这个式子倒过来积分。
③ (2) 倒过来读微分。 x d x = d ( x 2 2 ) x\dx=\dd\Big(\dfrac{x^2}2\Big) x d x = d ( 2 x 2 ) , d x x = d ( 2 x ) \dfrac{\dx}{\sqrt x}=\dd(2\sqrt x) x d x = d ( 2 x ) ,sin 2 x d x = d ( − cos 2 x 2 ) \sin2x\dx=\dd\Big(-\dfrac{\cos2x}2\Big) sin 2 x d x = d ( − 2 cos 2 x ) (也等于 d ( sin 2 x ) \dd(\sin^2x) d ( sin 2 x ) )。
找一个函数,求导后正好是 d x \dd x d x 前面那一块;差常数倍就在前面补一个系数。sin 2 x \sin^2x sin 2 x 与 − cos 2 x 2 -\frac{\cos2x}2 − 2 c o s 2 x 只差常数 1 2 \frac12 2 1 ,所以两种写法都对。
答案:(1) 2 x e x 2 2x\e^{x^2} 2 x e x 2 ,2 x 1 + x 2 \frac{2x}{1+x^2} 1 + x 2 2 x ,1 2 x ( 1 − x ) \frac1{2\sqrt{x(1-x)}} 2 x ( 1 − x ) 1 ;(2) x 2 2 \frac{x^2}2 2 x 2 ,2 x 2\sqrt x 2 x ,− cos 2 x 2 -\frac{\cos2x}2 − 2 c o s 2 x (或 sin 2 x \sin^2x sin 2 x )
A.3 三角恒等式与“辅助直角三角形”
大白话:积分里用到的三角公式只有两类:一类把平方降下来(降幂),一类把根号去掉(1 − sin 2 t = cos 2 t 1-\sin^2t=\cos^2t 1 − sin 2 t = cos 2 t 、1 + tan 2 t = sec 2 t 1+\tan^2t=\sec^2t 1 + tan 2 t = sec 2 t ) 。换元以后要把 t t t 换回 x x x ,这时画一个直角三角形最省事。
t x a √(a ²−x ²) x =a sin t t x √(a ²+x ²) a x =a tan t t √(x ²−a ²) x a x =a sec t 三种三角代换的辅助直角三角形:按代换把 x x x 、a a a 放到对应的边上,第三条边用勾股定理算出来,其余三角函数直接读。
积分要用的三角公式
平方关系:sin 2 x + cos 2 x = 1 \sin^2x+\cos^2x=1 sin 2 x + cos 2 x = 1 ,1 + tan 2 x = sec 2 x 1+\tan^2x=\sec^2x 1 + tan 2 x = sec 2 x ,1 + cot 2 x = csc 2 x 1+\cot^2x=\csc^2x 1 + cot 2 x = csc 2 x 。
降幂:sin 2 x = 1 − cos 2 x 2 \sin^2x=\dfrac{1-\cos2x}2 sin 2 x = 2 1 − cos 2 x ,cos 2 x = 1 + cos 2 x 2 \cos^2x=\dfrac{1+\cos2x}2 cos 2 x = 2 1 + cos 2 x ;倍角:sin 2 x = 2 sin x cos x \sin2x=2\sin x\cos x sin 2 x = 2 sin x cos x 。
积化和差:sin A cos B = 1 2 [ sin ( A + B ) + sin ( A − B ) ] \sin A\cos B=\frac12[\sin(A+B)+\sin(A-B)] sin A cos B = 2 1 [ sin ( A + B ) + sin ( A − B )] 。
导数:( tan x ) ′ = sec 2 x (\tan x)'=\sec^2x ( tan x ) ′ = sec 2 x ,( sec x ) ′ = sec x tan x (\sec x)'=\sec x\tan x ( sec x ) ′ = sec x tan x 。
什么时候用
做了三角代换
x = a sin t x=a\sin t x = a sin t 、
a tan t a\tan t a tan t 或
a sec t a\sec t a sec t ,最后要用
x x x 表示
cos t \cos t cos t 、
tan t \tan t tan t 等。
步骤
由代换写出一个三角函数,如 sin t = x a \sin t=\frac xa sin t = a x 。
画直角三角形:对边 x x x 、斜边 a a a 。
勾股定理算第三边 a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 ,再读出 cos t = a 2 − x 2 a \cos t=\frac{\sqrt{a^2-x^2}}a cos t = a a 2 − x 2 、tan t = x a 2 − x 2 \tan t=\frac x{\sqrt{a^2-x^2}} tan t = a 2 − x 2 x 。
最容易错
sin 2 t \sin2t sin 2 t 忘了先写成
2 sin t cos t 2\sin t\cos t 2 sin t cos t 再代;三角形的边放错位置。
例 A.4 基础
(1) 设
x = 2 sin t x=2\sin t x = 2 sin t (
− π 2 ≤ t ≤ π 2 -\frac\pi2\le t\le\frac\pi2 − 2 π ≤ t ≤ 2 π ),用
x x x 表示
cos t \cos t cos t 、
tan t \tan t tan t 、
sin 2 t \sin2t sin 2 t ;(2) 设
x = tan t x=\tan t x = tan t (
− π 2 < t < π 2 -\frac\pi2<t<\frac\pi2 − 2 π < t < 2 π ),用
x x x 表示
sec t \sec t sec t 、
sin t \sin t sin t 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 画三角形。 sin t = x 2 \sin t=\dfrac x2 sin t = 2 x :对边 x x x ,斜边 2,邻边 4 − x 2 \sqrt{4-x^2} 4 − x 2 。所以 cos t = 4 − x 2 2 \cos t=\dfrac{\sqrt{4-x^2}}2 cos t = 2 4 − x 2 ,tan t = x 4 − x 2 \tan t=\dfrac x{\sqrt{4-x^2}} tan t = 4 − x 2 x 。
t t t 在 [ − π 2 , π 2 ] [-\frac\pi2,\frac\pi2] [ − 2 π , 2 π ] 内 cos t ≥ 0 \cos t\ge0 cos t ≥ 0 ,所以开方取正号;这就是规定 t t t 的范围的原因。
② (1) 倍角。 sin 2 t = 2 sin t cos t = 2 ⋅ x 2 ⋅ 4 − x 2 2 = x 4 − x 2 2 \sin2t=2\sin t\cos t=2\cdot\dfrac x2\cdot\dfrac{\sqrt{4-x^2}}2=\dfrac{x\sqrt{4-x^2}}2 sin 2 t = 2 sin t cos t = 2 ⋅ 2 x ⋅ 2 4 − x 2 = 2 x 4 − x 2 。
三角形只能读出 t t t 的三角函数,2 t 2t 2 t 的要先用倍角公式拆成 t t t 的。
③ (2) 另一个三角形。 tan t = x = x 1 \tan t=x=\dfrac x1 tan t = x = 1 x :对边 x x x ,邻边 1,斜边 1 + x 2 \sqrt{1+x^2} 1 + x 2 。sec t = 1 cos t = 1 + x 2 \sec t=\dfrac1{\cos t}=\sqrt{1+x^2} sec t = cos t 1 = 1 + x 2 ,sin t = x 1 + x 2 \sin t=\dfrac x{\sqrt{1+x^2}} sin t = 1 + x 2 x 。
− π 2 < t < π 2 -\frac\pi2<t<\frac\pi2 − 2 π < t < 2 π 时 cos t > 0 \cos t>0 cos t > 0 ,sec t > 0 \sec t>0 sec t > 0 ;也可以直接用 sec 2 t = 1 + tan 2 t \sec^2t=1+\tan^2t sec 2 t = 1 + tan 2 t 。
答案:(1) 4 − x 2 2 \frac{\sqrt{4-x^2}}2 2 4 − x 2 ,x 4 − x 2 \frac x{\sqrt{4-x^2}} 4 − x 2 x ,x 4 − x 2 2 \frac{x\sqrt{4-x^2}}2 2 x 4 − x 2 ;(2) 1 + x 2 \sqrt{1+x^2} 1 + x 2 ,x 1 + x 2 \frac x{\sqrt{1+x^2}} 1 + x 2 x
例 A.5 基础
把下列式子化成“不含平方”的一次式:(1)
sin 2 x \sin^2x sin 2 x ;(2)
cos 2 x 2 \cos^2\dfrac x2 cos 2 2 x ;(3)
sin x cos x \sin x\cos x sin x cos x ;(4)
tan 2 x \tan^2x tan 2 x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1)(2) 降幂。 sin 2 x = 1 − cos 2 x 2 \sin^2x=\dfrac{1-\cos2x}2 sin 2 x = 2 1 − cos 2 x ;cos 2 x 2 = 1 + cos x 2 \cos^2\dfrac x2=\dfrac{1+\cos x}2 cos 2 2 x = 2 1 + cos x 。
降幂公式里角度翻倍:x 2 \frac x2 2 x 的平方变成 x x x 的一次。
② (3) 倍角倒过来。 sin x cos x = 1 2 sin 2 x \sin x\cos x=\dfrac12\sin2x sin x cos x = 2 1 sin 2 x 。
倍角公式倒过来用:sin 2 x = 2 sin x cos x \sin2x=2\sin x\cos x sin 2 x = 2 sin x cos x ,两边除以 2,乘积就变成了一个一次式。
③ (4) 平方关系。 tan 2 x = sec 2 x − 1 \tan^2x=\sec^2x-1 tan 2 x = sec 2 x − 1 。
1 + tan 2 x = sec 2 x 1+\tan^2x=\sec^2x 1 + tan 2 x = sec 2 x 移项;这样 ∫ tan 2 x d x = tan x − x + C \int\tan^2x\dx=\tan x-x+C ∫ tan 2 x d x = tan x − x + C 就能积了。
答案:(1) 1 − cos 2 x 2 \frac{1-\cos2x}2 2 1 − c o s 2 x ;(2) 1 + cos x 2 \frac{1+\cos x}2 2 1 + c o s x ;(3) 1 2 sin 2 x \frac12\sin2x 2 1 sin 2 x ;(4) sec 2 x − 1 \sec^2x-1 sec 2 x − 1
A.4 代数变形:配方、多项式除法、拆成几项
大白话:积分公式表里的式子都很“标准”,题目里的式子往往要先变个形才能对上 。最常用的三种变形:二次式配方(对上 1 1 + u 2 \frac1{1+u^2} 1 + u 2 1 、1 − u 2 \sqrt{1-u^2} 1 − u 2 )、假分式除成“多项式 + 真分式”、一个分式拆成几个简单分式之和。
x y O 顶点 (1, 1) y =x ²y =(x −1)²+1右移 1、上移 1 1 2 1 2 y = x 2 − 2 x + 2 = ( x − 1 ) 2 + 1 y=x^2-2x+2=(x-1)^2+1 y = x 2 − 2 x + 2 = ( x − 1 ) 2 + 1 就是 y = x 2 y=x^2 y = x 2 向右平移 1、向上平移 1:配方就是找出这个平移量。
三种代数变形
配方 :x 2 + p x + q = ( x + p 2 ) 2 + ( q − p 2 4 ) x^2+px+q=\Big(x+\dfrac p2\Big)^2+\Big(q-\dfrac{p^2}4\Big) x 2 + p x + q = ( x + 2 p ) 2 + ( q − 4 p 2 ) 。例:x 2 + 2 x + 2 = ( x + 1 ) 2 + 1 x^2+2x+2=(x+1)^2+1 x 2 + 2 x + 2 = ( x + 1 ) 2 + 1 ,2 x − x 2 = 1 − ( x − 1 ) 2 2x-x^2=1-(x-1)^2 2 x − x 2 = 1 − ( x − 1 ) 2 。
多项式除法 (分子次数 ≥ \ge ≥ 分母次数时):x 3 x + 1 = x 2 − x + 1 − 1 x + 1 \dfrac{x^3}{x+1}=x^2-x+1-\dfrac1{x+1} x + 1 x 3 = x 2 − x + 1 − x + 1 1 。
加一减一 / 拆项 :x 2 1 + x 2 = 1 − 1 1 + x 2 \dfrac{x^2}{1+x^2}=1-\dfrac1{1+x^2} 1 + x 2 x 2 = 1 − 1 + x 2 1 ,1 x ( x + 1 ) = 1 x − 1 x + 1 \dfrac1{x(x+1)}=\dfrac1x-\dfrac1{x+1} x ( x + 1 ) 1 = x 1 − x + 1 1 ,1 x 2 − a 2 = 1 2 a ( 1 x − a − 1 x + a ) \dfrac1{x^2-a^2}=\dfrac1{2a}\Big(\dfrac1{x-a}-\dfrac1{x+a}\Big) x 2 − a 2 1 = 2 a 1 ( x − a 1 − x + a 1 ) 。
方法卡 · 分式先变形再积分
步骤
分子次数 ≥ \ge ≥ 分母:先除法(或加一减一),拆出多项式。
分母能分解:拆成几个简单分式之和(2.5 节讲一般方法)。
分母是不能分解的二次式:配方,对上 1 u 2 + a 2 \frac1{u^2+a^2} u 2 + a 2 1 。
最容易错
配方时常数项算错:
x 2 − 2 x + 2 x^2-2x+2 x 2 − 2 x + 2 写成
( x − 1 ) 2 + 2 (x-1)^2+2 ( x − 1 ) 2 + 2 ;拆项后忘了验算(通分回去看是否相等)。
例 A.6 基础
(1) 配方:
x 2 + 2 x + 5 x^2+2x+5 x 2 + 2 x + 5 ,
x 2 − x + 1 x^2-x+1 x 2 − x + 1 ,
3 + 2 x − x 2 3+2x-x^2 3 + 2 x − x 2 ;(2) 把
x 3 + 1 x − 1 \dfrac{x^3+1}{x-1} x − 1 x 3 + 1 写成“多项式 + 真分式”;(3) 把
1 x 2 − 1 \dfrac1{x^2-1} x 2 − 1 1 拆成两个简单分式之差。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 配方。 x 2 + 2 x + 5 = ( x + 1 ) 2 + 4 x^2+2x+5=(x+1)^2+4 x 2 + 2 x + 5 = ( x + 1 ) 2 + 4 ;x 2 − x + 1 = ( x − 1 2 ) 2 + 3 4 x^2-x+1=\Big(x-\dfrac12\Big)^2+\dfrac34 x 2 − x + 1 = ( x − 2 1 ) 2 + 4 3 ;3 + 2 x − x 2 = 4 − ( x − 1 ) 2 3+2x-x^2=4-(x-1)^2 3 + 2 x − x 2 = 4 − ( x − 1 ) 2 。
一次项系数的一半就是平移量:2 → 1 2\to1 2 → 1 、− 1 → − 1 2 -1\to-\frac12 − 1 → − 2 1 ;最后一个先提出负号 − ( x 2 − 2 x − 3 ) -(x^2-2x-3) − ( x 2 − 2 x − 3 ) 再配方。
② (2) 多项式除法。 x 3 + 1 = ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) + 2 x^3+1=(x-1)(x^2+x+1)+2 x 3 + 1 = ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) + 2 ,所以 x 3 + 1 x − 1 = x 2 + x + 1 + 2 x − 1 \dfrac{x^3+1}{x-1}=x^2+x+1+\dfrac2{x-1} x − 1 x 3 + 1 = x 2 + x + 1 + x − 1 2 。
x 3 − 1 = ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) x^3-1=(x-1)(x^2+x+1) x 3 − 1 = ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) (立方差),x 3 + 1 = ( x 3 − 1 ) + 2 x^3+1=(x^3-1)+2 x 3 + 1 = ( x 3 − 1 ) + 2 ;余数 2 留在真分式里。
③ (3) 拆项。 1 x 2 − 1 = 1 ( x − 1 ) ( x + 1 ) = 1 2 ( 1 x − 1 − 1 x + 1 ) \dfrac1{x^2-1}=\dfrac1{(x-1)(x+1)}=\dfrac12\Big(\dfrac1{x-1}-\dfrac1{x+1}\Big) x 2 − 1 1 = ( x − 1 ) ( x + 1 ) 1 = 2 1 ( x − 1 1 − x + 1 1 ) 。
通分验算:1 x − 1 − 1 x + 1 = 2 x 2 − 1 \frac1{x-1}-\frac1{x+1}=\frac{2}{x^2-1} x − 1 1 − x + 1 1 = x 2 − 1 2 ,所以前面要乘 1 2 \frac12 2 1 。
答案:(1) ( x + 1 ) 2 + 4 (x+1)^2+4 ( x + 1 ) 2 + 4 ,( x − 1 2 ) 2 + 3 4 (x-\frac12)^2+\frac34 ( x − 2 1 ) 2 + 4 3 ,4 − ( x − 1 ) 2 4-(x-1)^2 4 − ( x − 1 ) 2 ;(2) x 2 + x + 1 + 2 x − 1 x^2+x+1+\frac2{x-1} x 2 + x + 1 + x − 1 2 ;(3) 1 2 ( 1 x − 1 − 1 x + 1 ) \frac12\big(\frac1{x-1}-\frac1{x+1}\big) 2 1 ( x − 1 1 − x + 1 1 )
A.5 求和符号:“把很多小量加起来”怎么写
大白话:∑ k = 1 n f ( k ) \sum\limits_{k=1}^nf(k) k = 1 ∑ n f ( k ) 读作“k k k 从 1 取到 n n n ,把 f ( k ) f(k) f ( k ) 全加起来” 。定积分的定义就是“n n n 个小矩形面积之和”再取极限,所以要会写、会算这种和。
k O 1 2 3 4 5 6 三角形面积 6²/2 = 18 台阶面积 1+2+…+6 = 21 多出 6 个小三角 6 × 1/2 = 3 1 + 2 + ⋯ + 6 1+2+\cdots+6 1 + 2 + ⋯ + 6 是台阶的面积 21;它比三角形 6 2 2 = 18 \frac{6^2}2=18 2 6 2 = 18 多出一排小三角,正好是 n ( n + 1 ) 2 \frac{n(n+1)}2 2 n ( n + 1 ) 。
三个常用的和
∑ k = 1 n k = n ( n + 1 ) 2 , \displaystyle \sum_{k=1}^nk=\frac{n(n+1)}2, k = 1 ∑ n k = 2 n ( n + 1 ) , ∑ k = 1 n k 2 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 , \displaystyle \sum_{k=1}^nk^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6, k = 1 ∑ n k 2 = 6 n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) , ∑ k = 0 n − 1 q k = 1 − q n 1 − q ( q ≠ 1 ) . \displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}q^k=\frac{1-q^n}{1-q}\ (q\ne1). k = 0 ∑ n − 1 q k = 1 − q 1 − q n ( q = 1 ) .
∑ \sum ∑ 的性质:∑ ( a k + b k ) = ∑ a k + ∑ b k \sum(a_k+b_k)=\sum a_k+\sum b_k ∑ ( a k + b k ) = ∑ a k + ∑ b k ,∑ c a k = c ∑ a k \sum ca_k=c\sum a_k ∑ c a k = c ∑ a k ,与积分的线性一样。
什么时候用
要用矩形近似曲边图形的面积,或看懂 3.1、3.5 节的定积分定义。
步骤
把区间 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 等分成 n n n 份,每份宽 b − a n \frac{b-a}n n b − a 。
第 k k k 份的右端点是 a + k b − a n a+k\frac{b-a}n a + k n b − a ,矩形高取这一点的函数值。
面积和 = ∑ k = 1 n f ( a + k b − a n ) b − a n =\sum\limits_{k=1}^nf\Big(a+k\dfrac{b-a}n\Big)\dfrac{b-a}n = k = 1 ∑ n f ( a + k n b − a ) n b − a ;n → ∞ n\to\infty n → ∞ 时趋于曲边面积。
最容易错
宽度
b − a n \frac{b-a}n n b − a 漏乘;把右端点写成
k n \frac kn n k 却忘了区间不是
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 。
例 A.7 基础
曲线
y = x 2 y=x^2 y = x 2 下方、
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上的区域,等分成
n n n 条、每条取右端点的高,写出矩形面积和
S n S_n S n ,并求
lim n → ∞ S n \lim\limits_{n\to\infty}S_n n → ∞ lim S n 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出和式。 第 k k k 条宽 1 n \dfrac1n n 1 、高 ( k n ) 2 \Big(\dfrac kn\Big)^2 ( n k ) 2 ,S n = ∑ k = 1 n k 2 n 2 ⋅ 1 n = 1 n 3 ∑ k = 1 n k 2 S_n=\sum\limits_{k=1}^n\dfrac{k^2}{n^2}\cdot\dfrac1n=\dfrac1{n^3}\sum\limits_{k=1}^nk^2 S n = k = 1 ∑ n n 2 k 2 ⋅ n 1 = n 3 1 k = 1 ∑ n k 2 。
按方法卡:a = 0 a=0 a = 0 ,b = 1 b=1 b = 1 ,右端点 k n \frac kn n k 。
② 用平方和公式。 S n = 1 n 3 ⋅ n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 = ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 n 2 S_n=\dfrac1{n^3}\cdot\dfrac{n(n+1)(2n+1)}6=\dfrac{(n+1)(2n+1)}{6n^2} S n = n 3 1 ⋅ 6 n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) = 6 n 2 ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 。
∑ k 2 \sum k^2 ∑ k 2 的公式;n = 8 n=8 n = 8 时 S 8 = 9 ⋅ 17 384 ≈ 0.3984 S_8=\frac{9\cdot17}{384}\approx0.3984 S 8 = 384 9 ⋅ 17 ≈ 0.3984 ,就是 0.1 节图里的数。
③ 取极限。 lim n → ∞ ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 n 2 = 2 6 = 1 3 \lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}=\dfrac26=\dfrac13 n → ∞ lim 6 n 2 ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) = 6 2 = 3 1 。
分子分母都是 2 次,比最高次系数(《极限》笔记 3.1 节“抓大头”);这正是 ∫ 0 1 x 2 d x = 1 3 \int_0^1x^2\dx=\frac13 ∫ 0 1 x 2 d x = 3 1 。
答案:S n = ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 n 2 S_n=\frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2} S n = 6 n 2 ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) ,极限 1 3 \frac13 3 1
A.6 小结与自测
题目里的说法 换成什么 例子
“求 ∫ f \int f ∫ f ”,f f f 是基本初等函数 倒着读求导表 例 A.1
算完一个不定积分 把答案求导,看是否等于被积函数 例 A.2
被积函数像“外层导数 × 里层导数” 链式法则倒过来:凑微分(2.1 节) 例 A.3
换元 x = a sin t x=a\sin t x = a sin t 等之后回代 画辅助直角三角形 例 A.4
sin 2 x \sin^2x sin 2 x 、cos 2 x \cos^2x cos 2 x 、tan 2 x \tan^2x tan 2 x 降幂、sec 2 x − 1 \sec^2x-1 sec 2 x − 1 例 A.5
分母是二次式、分子次数高 配方、除法、拆项 例 A.6
∑ f ( k / n ) ⋅ 1 n \sum f(k/n)\cdot\frac1n ∑ f ( k / n ) ⋅ n 1 矩形面积和,n → ∞ n\to\infty n → ∞ 趋于定积分 例 A.7
自测(每题 1 分钟,答不出回看对应小节)
# 题目 答案 回看
1 ∫ x − 3 d x \int x^{-3}\dx ∫ x − 3 d x − 1 2 x 2 + C -\frac1{2x^2}+C − 2 x 2 1 + C A.1
2 ∫ d x 1 + x 2 \int\frac{\dx}{1+x^2} ∫ 1 + x 2 d x arctan x + C \arctan x+C arctan x + C A.1
3 ( ln cos x ) ′ (\ln\cos x)' ( ln cos x ) ′ − tan x -\tan x − tan x A.2
4 d x x = d ( ) \frac{\dx}x=\dd(\ \ ) x d x = d ( ) ln ∣ x ∣ \ln|x| ln ∣ x ∣ A.2
5 cos 2 x \cos^2x cos 2 x 降幂1 + cos 2 x 2 \frac{1+\cos2x}2 2 1 + c o s 2 x A.3
6 x = 3 sin t x=3\sin t x = 3 sin t ,cos t = ? \cos t=? cos t = ? (∣ t ∣ ≤ π 2 |t|\le\frac\pi2 ∣ t ∣ ≤ 2 π )9 − x 2 3 \frac{\sqrt{9-x^2}}3 3 9 − x 2 A.3
7 配方 x 2 + 4 x + 8 x^2+4x+8 x 2 + 4 x + 8 ( x + 2 ) 2 + 4 (x+2)^2+4 ( x + 2 ) 2 + 4 A.4
8 ∑ k = 1 10 k \sum\limits_{k=1}^{10}k k = 1 ∑ 10 k 55 A.5
学完了,标记这一部分
第 1 部分
不定积分的概念
原函数是“求导以前的函数”,不定积分是全体原函数。这一部分讲定义、积分表、性质、原函数什么时候存在、分段函数的原函数,以及已知导数的关系反求函数。
考试要求(大纲原文,李林讲义第五章第 1、2 条)
理解原函数与不定积分的概念。
掌握不定积分的基本公式与性质。
对应李林讲义第五章第一节“概念和性质”(p110—112)和第二节开头的基本积分公式表(p112—113)。这一部分单独出题不多(数一 17 年只有 2014(10)、2016(2) 两道),但后面每一个积分都要用到这里的积分表。
1.1 原函数与不定积分:一族上下平移的曲线
大白话:如果 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x)=f(x) F ′ ( x ) = f ( x ) ,就说 F F F 是 f f f 的一个原函数 ——F F F 是“原来的函数”,f f f 是它求导以后得到的。比如 ( sin x ) ′ = cos x (\sin x)'=\cos x ( sin x ) ′ = cos x ,所以 sin x \sin x sin x 是 cos x \cos x cos x 的一个原函数。
原函数不止一个:sin x + 1 \sin x+1 sin x + 1 、sin x − 7 \sin x-7 sin x − 7 求导也都是 cos x \cos x cos x ,因为常数的导数是 0。反过来,同一个区间上 f f f 的任意两个原函数只差一个常数 :若 F ′ = G ′ = f F'=G'=f F ′ = G ′ = f ,则 ( F − G ) ′ = 0 (F-G)'=0 ( F − G ) ′ = 0 ,导数恒为 0 的函数是常数(拉格朗日中值定理)。所以只要找到一个原函数 F F F ,全体原函数就是 F ( x ) + C F(x)+C F ( x ) + C 。
x y O C =-1C =0C =1每个小短线的斜率 = cos x π/2 π 3π/2 “斜率场”:在平面上每一点画一条斜率为 cos x \cos x cos x 的短线。cos x \cos x cos x 的原函数就是处处顺着短线走的曲线,它们是同一条曲线上下平移得到的,C C C 就是平移量。
定义
在区间 I I I 上,若 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x)=f(x) F ′ ( x ) = f ( x ) ,则称 F ( x ) F(x) F ( x ) 是 f ( x ) f(x) f ( x ) 在 I I I 上的一个原函数 。f f f 的全体原函数叫 f f f 的不定积分 ,记作
∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C \displaystyle \int f(x)\dx=F(x)+C ∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C ( C 为任意常数 ) . \displaystyle (C\text{ 为任意常数}). ( C 为任意常数 ) .
∫ \int ∫ 叫积分号,f ( x ) f(x) f ( x ) 叫被积函数,x x x 叫积分变量。“d x \dd x d x ”说明对谁积分,不能漏写。
什么时候用
题目给了导数(或斜率、速度)和一个点上的值,要求“那一个”函数。
步骤
先求不定积分,写出带 C C C 的全体原函数。
把已知点代进去,解出 C C C 。
写出最后的函数,求导再验算一次。
最容易错
积分后忘了写
C C C ,结果只剩一个“特定”的函数,已知条件就用不上了。
例 1.1 基础
一条曲线过点
( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) ,它在任一点
( x , y ) (x,y) ( x , y ) 处的切线斜率是
3 x 2 − 1 3x^2-1 3 x 2 − 1 。求这条曲线的方程。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 切线斜率就是导数。 y ′ = 3 x 2 − 1 y'=3x^2-1 y ′ = 3 x 2 − 1 ,所以 y = ∫ ( 3 x 2 − 1 ) d x = x 3 − x + C y=\int(3x^2-1)\dx=x^3-x+C y = ∫ ( 3 x 2 − 1 ) d x = x 3 − x + C 。
导数的几何意义是切线斜率;知道导数求函数,就是求原函数。
② 用点 ( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) 定常数。 2 = 1 3 − 1 + C 2=1^3-1+C 2 = 1 3 − 1 + C ,C = 2 C=2 C = 2 。
曲线过这个点,说明 x = 1 x=1 x = 1 时 y = 2 y=2 y = 2 ;这一个条件正好确定一个常数。
③ 写出答案并验算。 y = x 3 − x + 2 y=x^3-x+2 y = x 3 − x + 2 ;y ′ = 3 x 2 − 1 y'=3x^2-1 y ′ = 3 x 2 − 1 ,y ( 1 ) = 2 y(1)=2 y ( 1 ) = 2 。
两个条件都满足,答案正确。
答案:y = x 3 − x + 2 y=x^3-x+2 y = x 3 − x + 2
例 1.2 基础
下列函数中,哪些是
f ( x ) = sin 2 x f(x)=\sin2x f ( x ) = sin 2 x 的原函数?(1)
sin 2 x \sin^2x sin 2 x ;(2)
− cos 2 x -\cos^2x − cos 2 x ;(3)
− 1 2 cos 2 x -\dfrac12\cos2x − 2 1 cos 2 x ;(4)
2 sin 2 x 2\sin^2x 2 sin 2 x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 逐个求导。 (1)( sin 2 x ) ′ = 2 sin x cos x = sin 2 x (\sin^2x)'=2\sin x\cos x=\sin2x ( sin 2 x ) ′ = 2 sin x cos x = sin 2 x ✓;(2)( − cos 2 x ) ′ = 2 cos x sin x = sin 2 x (-\cos^2x)'=2\cos x\sin x=\sin2x ( − cos 2 x ) ′ = 2 cos x sin x = sin 2 x ✓;(3)( − 1 2 cos 2 x ) ′ = sin 2 x \big(-\frac12\cos2x\big)'=\sin2x ( − 2 1 cos 2 x ) ′ = sin 2 x ✓;(4)( 2 sin 2 x ) ′ = 2 sin 2 x (2\sin^2x)'=2\sin2x ( 2 sin 2 x ) ′ = 2 sin 2 x ✗。
判断“是不是原函数”只有一个办法:求导,看是否等于 f f f 。
② 看前三个之间的关系。 sin 2 x − ( − cos 2 x ) = 1 \sin^2x-(-\cos^2x)=1 sin 2 x − ( − cos 2 x ) = 1 ,sin 2 x − ( − 1 2 cos 2 x ) = sin 2 x + 1 2 ( 1 − 2 sin 2 x ) = 1 2 \sin^2x-\big(-\frac12\cos2x\big)=\sin^2x+\frac12(1-2\sin^2x)=\frac12 sin 2 x − ( − 2 1 cos 2 x ) = sin 2 x + 2 1 ( 1 − 2 sin 2 x ) = 2 1 。
它们两两只差常数,符合“原函数之间只差常数”。所以同一道积分题,不同解法得到样子不同的答案,常常都是对的。
答案:(1)(2)(3)是;(4)不是
1.2 基本积分表:把求导表倒过来
大白话:积分表就是求导表倒过来读 (A.1 节)。考试不给公式,下面这张表要背熟;背的办法是“对着右边求导,能得到左边”。其中带 ⊕ 的几条要用后面的方法推出来,推导在括号里给的小节。
x y O x =−2 处切线斜率 −1/21/x = −1/2 y =ln|x |y =1/x 1 2 ln ∣ x ∣ \ln|x| ln ∣ x ∣ 在 x < 0 x<0 x < 0 一侧的切线斜率也等于 1 x \frac1x x 1 ,所以 ∫ d x x = ln ∣ x ∣ + C \int\frac{\dx}x=\ln|x|+C ∫ x d x = ln ∣ x ∣ + C 的绝对值不能丢(x < 0 x<0 x < 0 时 ln x \ln x ln x 没有定义)。
基本积分表(a > 0 a>0 a > 0 )
# 被积函数 不定积分
1 x μ ( μ ≠ − 1 ) x^\mu\ (\mu\ne-1) x μ ( μ = − 1 ) x μ + 1 μ + 1 + C \dfrac{x^{\mu+1}}{\mu+1}+C μ + 1 x μ + 1 + C
2 1 x \dfrac1x x 1 ln ∣ x ∣ + C \ln|x|+C ln ∣ x ∣ + C
3 a x ( a ≠ 1 ) a^x\ (a\ne1) a x ( a = 1 ) ;e x \e^x e x a x ln a + C \dfrac{a^x}{\ln a}+C ln a a x + C ;e x + C \e^x+C e x + C
4 sin x \sin x sin x ;cos x \cos x cos x − cos x + C -\cos x+C − cos x + C ;sin x + C \sin x+C sin x + C
5 sec 2 x \sec^2x sec 2 x ;csc 2 x \csc^2x csc 2 x tan x + C \tan x+C tan x + C ;− cot x + C -\cot x+C − cot x + C
6 sec x tan x \sec x\tan x sec x tan x ;csc x cot x \csc x\cot x csc x cot x sec x + C \sec x+C sec x + C ;− csc x + C -\csc x+C − csc x + C
7 ⊕ tan x \tan x tan x ;cot x \cot x cot x − ln ∣ cos x ∣ + C -\ln|\cos x|+C − ln ∣ cos x ∣ + C ;ln ∣ sin x ∣ + C \ln|\sin x|+C ln ∣ sin x ∣ + C (2.1 节)
8 ⊕ sec x \sec x sec x ;csc x \csc x csc x ln ∣ sec x + tan x ∣ + C \ln|\sec x+\tan x|+C ln ∣ sec x + tan x ∣ + C ;ln ∣ csc x − cot x ∣ + C \ln|\csc x-\cot x|+C ln ∣ csc x − cot x ∣ + C (2.1 节)
9 1 a 2 + x 2 \dfrac1{a^2+x^2} a 2 + x 2 1 1 a arctan x a + C \dfrac1a\arctan\dfrac xa+C a 1 arctan a x + C
10 1 a 2 − x 2 \dfrac1{\sqrt{a^2-x^2}} a 2 − x 2 1 arcsin x a + C \arcsin\dfrac xa+C arcsin a x + C
11 ⊕ 1 x 2 − a 2 \dfrac1{x^2-a^2} x 2 − a 2 1 1 2 a ln ∣ x − a x + a ∣ + C \dfrac1{2a}\ln\left|\dfrac{x-a}{x+a}\right|+C 2 a 1 ln x + a x − a + C (2.1 节)
12 ⊕ 1 x 2 ± a 2 \dfrac1{\sqrt{x^2\pm a^2}} x 2 ± a 2 1 ln ∣ x + x 2 ± a 2 ∣ + C \ln\big|x+\sqrt{x^2\pm a^2}\big|+C ln x + x 2 ± a 2 + C (2.3 节)
13 ⊕ a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 a 2 2 arcsin x a + x 2 a 2 − x 2 + C \dfrac{a^2}2\arcsin\dfrac xa+\dfrac x2\sqrt{a^2-x^2}+C 2 a 2 arcsin a x + 2 x a 2 − x 2 + C (2.3 节)
第 1 条的特例要张口就来:∫ d x x 2 = − 1 x + C \int\frac{\dx}{x^2}=-\frac1x+C ∫ x 2 d x = − x 1 + C ,∫ d x x = 2 x + C \int\frac{\dx}{\sqrt x}=2\sqrt x+C ∫ x d x = 2 x + C ,∫ x d x = 2 3 x 3 2 + C \int\sqrt x\dx=\frac23x^{\frac32}+C ∫ x d x = 3 2 x 2 3 + C 。
方法卡 · 直接积分法:先变形,再查表
什么时候用
被积函数是几个基本函数的和、差、常数倍,或者经过简单的代数、三角变形就能变成这样。
步骤
展开乘积、拆开分式、根式改写成分数指数。
三角函数用恒等式变形(1 = sin 2 x + cos 2 x 1=\sin^2x+\cos^2x 1 = sin 2 x + cos 2 x 、降幂、tan 2 x = sec 2 x − 1 \tan^2x=\sec^2x-1 tan 2 x = sec 2 x − 1 )。
逐项查表积分,最后只写一个 C C C 。
求导验算。
最容易错
把“积的积分”当成“积分的积”:
∫ f g d x ≠ ∫ f d x ⋅ ∫ g d x \int f g\dx\ne\int f\dx\cdot\int g\dx ∫ f g d x = ∫ f d x ⋅ ∫ g d x ;分母不能拆:
1 a + b ≠ 1 a + 1 b \frac1{a+b}\ne\frac1a+\frac1b a + b 1 = a 1 + b 1 。
例 1.3 基础
求:(1)
∫ ( 1 − x ) 2 x d x \int\dfrac{(1-x)^2}{\sqrt x}\dx ∫ x ( 1 − x ) 2 d x ;(2)
∫ 2 x e x d x \int2^x\e^x\dx ∫ 2 x e x d x ;(3)
∫ tan 2 x d x \int\tan^2x\dx ∫ tan 2 x d x ;(4)
∫ x 4 1 + x 2 d x \int\dfrac{x^4}{1+x^2}\dx ∫ 1 + x 2 x 4 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 展开后除以 x \sqrt x x 。 1 − 2 x + x 2 x 1 / 2 = x − 1 2 − 2 x 1 2 + x 3 2 \dfrac{1-2x+x^2}{x^{1/2}}=x^{-\frac12}-2x^{\frac12}+x^{\frac32} x 1/2 1 − 2 x + x 2 = x − 2 1 − 2 x 2 1 + x 2 3 ,积分得 2 x 1 2 − 4 3 x 3 2 + 2 5 x 5 2 + C 2x^{\frac12}-\dfrac43x^{\frac32}+\dfrac25x^{\frac52}+C 2 x 2 1 − 3 4 x 2 3 + 5 2 x 2 5 + C 。
分子是多项式、分母是单项式,就拆成几个幂函数,逐个用第 1 条。
② (2) 两个指数合成一个。 2 x e x = ( 2 e ) x 2^x\e^x=(2\e)^x 2 x e x = ( 2 e ) x ,∫ ( 2 e ) x d x = ( 2 e ) x ln ( 2 e ) + C = 2 x e x 1 + ln 2 + C \int(2\e)^x\dx=\dfrac{(2\e)^x}{\ln(2\e)}+C=\dfrac{2^x\e^x}{1+\ln2}+C ∫ ( 2 e ) x d x = ln ( 2 e ) ( 2 e ) x + C = 1 + ln 2 2 x e x + C 。
同指数的幂可以合并:a x b x = ( a b ) x a^xb^x=(ab)^x a x b x = ( ab ) x ;再用第 3 条,ln ( 2 e ) = ln 2 + 1 \ln(2\e)=\ln2+1 ln ( 2 e ) = ln 2 + 1 。
③ (3) 化成 sec 2 x \sec^2x sec 2 x 。 tan 2 x = sec 2 x − 1 \tan^2x=\sec^2x-1 tan 2 x = sec 2 x − 1 ,∫ tan 2 x d x = tan x − x + C \int\tan^2x\dx=\tan x-x+C ∫ tan 2 x d x = tan x − x + C 。
表里没有 tan 2 x \tan^2x tan 2 x ,但有 sec 2 x \sec^2x sec 2 x (第 5 条),用平方关系换过去。
④ (4) 分子凑出分母。 x 4 = ( x 4 − 1 ) + 1 = ( x 2 − 1 ) ( x 2 + 1 ) + 1 x^4=(x^4-1)+1=(x^2-1)(x^2+1)+1 x 4 = ( x 4 − 1 ) + 1 = ( x 2 − 1 ) ( x 2 + 1 ) + 1 ,所以 x 4 1 + x 2 = x 2 − 1 + 1 1 + x 2 \dfrac{x^4}{1+x^2}=x^2-1+\dfrac1{1+x^2} 1 + x 2 x 4 = x 2 − 1 + 1 + x 2 1 ,积分得 x 3 3 − x + arctan x + C \dfrac{x^3}3-x+\arctan x+C 3 x 3 − x + arctan x + C 。
分子次数比分母高,先“加一减一”拆出多项式(A.4 节);剩下的 1 1 + x 2 \frac1{1+x^2} 1 + x 2 1 是第 9 条。
答案:(1) 2 x − 4 3 x 3 2 + 2 5 x 5 2 + C 2\sqrt x-\frac43x^{\frac32}+\frac25x^{\frac52}+C 2 x − 3 4 x 2 3 + 5 2 x 2 5 + C ;(2) 2 x e x 1 + ln 2 + C \frac{2^x\e^x}{1+\ln2}+C 1 + l n 2 2 x e x + C ;(3) tan x − x + C \tan x-x+C tan x − x + C ;(4) x 3 3 − x + arctan x + C \frac{x^3}3-x+\arctan x+C 3 x 3 − x + arctan x + C
例 1.4 基础
求:(1)
∫ d x sin 2 x cos 2 x \int\dfrac{\dx}{\sin^2x\cos^2x} ∫ sin 2 x cos 2 x d x ;(2)
∫ cos 2 x cos x − sin x d x \int\dfrac{\cos2x}{\cos x-\sin x}\dx ∫ cos x − sin x cos 2 x d x ;(3)
∫ d x 1 + cos 2 x \int\dfrac{\dx}{1+\cos2x} ∫ 1 + cos 2 x d x ;(4)
∫ d x x 2 ( 1 + x 2 ) \int\dfrac{\dx}{x^2(1+x^2)} ∫ x 2 ( 1 + x 2 ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 分子的 1 换成 sin 2 x + cos 2 x \sin^2x+\cos^2x sin 2 x + cos 2 x 。 sin 2 x + cos 2 x sin 2 x cos 2 x = 1 cos 2 x + 1 sin 2 x \dfrac{\sin^2x+\cos^2x}{\sin^2x\cos^2x}=\dfrac1{\cos^2x}+\dfrac1{\sin^2x} sin 2 x cos 2 x sin 2 x + cos 2 x = cos 2 x 1 + sin 2 x 1 ,积分得 tan x − cot x + C \tan x-\cot x+C tan x − cot x + C 。
分母是乘积、分子是 1 时,把 1 写成分母两个因子之和,就能拆成两项。
② (2) 用平方差约分。 cos 2 x = cos 2 x − sin 2 x = ( cos x − sin x ) ( cos x + sin x ) \cos2x=\cos^2x-\sin^2x=(\cos x-\sin x)(\cos x+\sin x) cos 2 x = cos 2 x − sin 2 x = ( cos x − sin x ) ( cos x + sin x ) ,约去后 ∫ ( cos x + sin x ) d x = sin x − cos x + C \int(\cos x+\sin x)\dx=\sin x-\cos x+C ∫ ( cos x + sin x ) d x = sin x − cos x + C 。
看到 cos 2 x \cos2x cos 2 x 和 cos x ± sin x \cos x\pm\sin x cos x ± sin x 同时出现,想到 cos 2 x \cos2x cos 2 x 的平方差形式。
③ (3) 倍角公式去掉“1+”。 1 + cos 2 x = 2 cos 2 x 1+\cos2x=2\cos^2x 1 + cos 2 x = 2 cos 2 x ,∫ d x 2 cos 2 x = 1 2 tan x + C \int\dfrac{\dx}{2\cos^2x}=\dfrac12\tan x+C ∫ 2 cos 2 x d x = 2 1 tan x + C 。
“1 ± cos 1\pm\cos 1 ± cos ”用倍角公式变成平方,是三角积分的常用第一步。
④ (4) 拆项。 1 x 2 ( 1 + x 2 ) = ( 1 + x 2 ) − x 2 x 2 ( 1 + x 2 ) = 1 x 2 − 1 1 + x 2 \dfrac1{x^2(1+x^2)}=\dfrac{(1+x^2)-x^2}{x^2(1+x^2)}=\dfrac1{x^2}-\dfrac1{1+x^2} x 2 ( 1 + x 2 ) 1 = x 2 ( 1 + x 2 ) ( 1 + x 2 ) − x 2 = x 2 1 − 1 + x 2 1 ,积分得 − 1 x − arctan x + C -\dfrac1x-\arctan x+C − x 1 − arctan x + C 。
分子的 1 写成“两个因子之差”,和第①步是同一个技巧。
答案:(1) tan x − cot x + C \tan x-\cot x+C tan x − cot x + C ;(2) sin x − cos x + C \sin x-\cos x+C sin x − cos x + C ;(3) 1 2 tan x + C \frac12\tan x+C 2 1 tan x + C ;(4) − 1 x − arctan x + C -\frac1x-\arctan x+C − x 1 − arctan x + C
1.3 不定积分的性质:“先积后导”与“先导后积”
大白话:求导和积分互相抵消,但方向不同结果不同 。先积分再求导,原样回到 f f f ;先求导再积分,回到原来的函数,但多出一个 + C +C + C (因为求导把常数“弄丢”了,积分找不回来)。
f (x )F (x )+C f (x )∫ · dx 求导 先积后导:回到 f ,不加 C F (x )f (x )F (x )+C 求导 ∫ · dx 先导后积:回到 F ,要加 C 上一行:先积分再求导回到 f f f ;下一行:先求导再积分回到 F + C F+C F + C 。
性质
( ∫ f ( x ) d x ) ′ = f ( x ) \left(\int f(x)\dx\right)'=f(x) ( ∫ f ( x ) d x ) ′ = f ( x ) ,d ∫ f ( x ) d x = f ( x ) d x \dd\int f(x)\dx=f(x)\dx d ∫ f ( x ) d x = f ( x ) d x 。
∫ F ′ ( x ) d x = F ( x ) + C \int F'(x)\dx=F(x)+C ∫ F ′ ( x ) d x = F ( x ) + C ,∫ d F ( x ) = F ( x ) + C \int\dd F(x)=F(x)+C ∫ d F ( x ) = F ( x ) + C 。
线性:∫ [ α f ( x ) + β g ( x ) ] d x = α ∫ f ( x ) d x + β ∫ g ( x ) d x \int[\alpha f(x)+\beta g(x)]\dx=\alpha\int f(x)\dx+\beta\int g(x)\dx ∫ [ α f ( x ) + β g ( x )] d x = α ∫ f ( x ) d x + β ∫ g ( x ) d x (α , β \alpha,\beta α , β 不全为 0)。
方法卡 · 题目只给“
F F F 是
f f f 的原函数”
什么时候用
题目不给
f f f 的表达式,只给它的一个原函数(或者给
∫ f \int f ∫ f ),要算和
f f f 、
f ′ f' f ′ 有关的积分。
步骤
先把已知翻译成等式:F ′ = f F'=f F ′ = f ,或 ∫ f d x = F + C \int f\dx=F+C ∫ f d x = F + C 。
要求的积分里如果是 f ( a x + b ) f(ax+b) f ( a x + b ) ,用 u = a x + b u=ax+b u = a x + b 换过去(2.1 节);如果有 f ′ f' f ′ ,想分部积分(2.4 节)。
如果题目要 f f f 本身,就对 F F F 求导。
最容易错
把“
∫ f ′ ( x ) d x \int f'(x)\dx ∫ f ′ ( x ) d x ”写成
f ( x ) f(x) f ( x ) ,漏了
+ C +C + C ;把
d ∫ f d x \dd\int f\dx d ∫ f d x 写成
f ( x ) f(x) f ( x ) ,漏了
d x \dd x d x 。
例 1.5 基础
下列等式中正确的是( )
(A)
∫ f ′ ( x ) d x = f ( x ) \int f'(x)\dx=f(x) ∫ f ′ ( x ) d x = f ( x ) (B)
∫ d f ( x ) = f ( x ) \int\dd f(x)=f(x) ∫ d f ( x ) = f ( x ) (C)
d d x ∫ f ( x ) d x = f ( x ) \dfrac{\dd}{\dd x}\int f(x)\dx=f(x) d x d ∫ f ( x ) d x = f ( x ) (D)
d ∫ f ( x ) d x = f ( x ) \dd\int f(x)\dx=f(x) d ∫ f ( x ) d x = f ( x )
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (A)(B) 是“先导后积”。 正确的写法是 ∫ f ′ ( x ) d x = f ( x ) + C \int f'(x)\dx=f(x)+C ∫ f ′ ( x ) d x = f ( x ) + C ,∫ d f ( x ) = f ( x ) + C \int\dd f(x)=f(x)+C ∫ d f ( x ) = f ( x ) + C ,两个都漏了 C C C 。
先求导再积分,常数找不回来,必须补上任意常数。
② (C) 是“先积后导”。 ∫ f d x = F + C \int f\dx=F+C ∫ f d x = F + C ,求导得 F ′ = f F'=f F ′ = f ,正确。
先积分再求导,C C C 求导后消失,原样回到 f f f 。
③ (D) 是微分,不是导数。 d ∫ f ( x ) d x = f ( x ) d x \dd\int f(x)\dx=f(x)\dx d ∫ f ( x ) d x = f ( x ) d x ,右边少了 d x \dd x d x 。所以选(C)。
d \dd d 表示“微分 = 导数乘 d x \dd x d x ”,两边都要有 d x \dd x d x 。
答案:C
例 1.6 李林 第五章 §1 例 4 · p111
已知
sin x x \dfrac{\sin x}x x sin x 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的一个原函数,
a ≠ 0 a\ne0 a = 0 为常数,求
∫ 1 a f ( a x ) d x \int\dfrac1af(ax)\dx ∫ a 1 f ( a x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 把已知写成等式。 F ( x ) = sin x x F(x)=\dfrac{\sin x}x F ( x ) = x sin x ,F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x)=f(x) F ′ ( x ) = f ( x ) 。
“是原函数”就是“求导等于”。
② 用 u = a x u=ax u = a x 换元。 d u = a d x \dd u=a\dx d u = a d x ,∫ f ( a x ) d x = 1 a ∫ f ( u ) d u = 1 a F ( u ) + C = 1 a ⋅ sin a x a x + C \int f(ax)\dx=\dfrac1a\int f(u)\du=\dfrac1aF(u)+C=\dfrac1a\cdot\dfrac{\sin ax}{ax}+C ∫ f ( a x ) d x = a 1 ∫ f ( u ) d u = a 1 F ( u ) + C = a 1 ⋅ a x sin a x + C 。
积分号里是 f ( a x ) f(ax) f ( a x ) ,而我们只知道 f f f 的原函数,所以把 a x ax a x 整个换成一个字母(这就是 2.1 节的凑微分)。
③ 再乘 1 a \frac1a a 1 。 ∫ 1 a f ( a x ) d x = 1 a 2 ⋅ sin a x a x + C = sin a x a 3 x + C \int\dfrac1af(ax)\dx=\dfrac1{a^2}\cdot\dfrac{\sin ax}{ax}+C=\dfrac{\sin ax}{a^3x}+C ∫ a 1 f ( a x ) d x = a 2 1 ⋅ a x sin a x + C = a 3 x sin a x + C 。
常数可以提到积分号外面(线性)。验算:对答案求导得 a x cos a x − sin a x a 3 x 2 \frac{ax\cos ax-\sin ax}{a^3x^2} a 3 x 2 a x c o s a x − s i n a x ,而 f ( u ) = u cos u − sin u u 2 f(u)=\frac{u\cos u-\sin u}{u^2} f ( u ) = u 2 u c o s u − s i n u ,1 a f ( a x ) \frac1af(ax) a 1 f ( a x ) 正好相等。
答案:sin a x a 3 x + C \dfrac{\sin ax}{a^3x}+C a 3 x sin a x + C
例 1.7 李林 第五章 §2 例 10 · p121
已知
∫ f ′ ( x 3 ) d x = x 3 + C \int f'(x^3)\dx=x^3+C ∫ f ′ ( x 3 ) d x = x 3 + C ,求
f ( x ) f(x) f ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 两边求导,去掉积分号。 f ′ ( x 3 ) = 3 x 2 f'(x^3)=3x^2 f ′ ( x 3 ) = 3 x 2 。
“先积后导”回到被积函数:( ∫ f ′ ( x 3 ) d x ) ′ = f ′ ( x 3 ) \big(\int f'(x^3)\dx\big)'=f'(x^3) ( ∫ f ′ ( x 3 ) d x ) ′ = f ′ ( x 3 ) 。
② 把括号里的 x 3 x^3 x 3 换成一个字母。 令 u = x 3 u=x^3 u = x 3 ,x = u 1 3 x=u^{\frac13} x = u 3 1 ,f ′ ( u ) = 3 u 2 3 f'(u)=3u^{\frac23} f ′ ( u ) = 3 u 3 2 。
要的是 f ′ f' f ′ 作为 u u u 的函数,所以要把右边的 x x x 全部用 u u u 表示。
③ 再积分一次。 f ( u ) = ∫ 3 u 2 3 d u = 9 5 u 5 3 + C f(u)=\int3u^{\frac23}\du=\dfrac95u^{\frac53}+C f ( u ) = ∫ 3 u 3 2 d u = 5 9 u 3 5 + C ,即 f ( x ) = 9 5 x 5 3 + C f(x)=\dfrac95x^{\frac53}+C f ( x ) = 5 9 x 3 5 + C 。
知道 f ′ f' f ′ 求 f f f 就是求原函数;题目没给 f f f 的某个值,所以留着 C C C 。
答案:f ( x ) = 9 5 x 5 3 + C f(x)=\frac95x^{\frac53}+C f ( x ) = 5 9 x 3 5 + C
1.4 什么样的函数有原函数
大白话:连续函数一定有原函数;有“跳跃”或“可去”间断点的函数,在包含这个点的区间上一定没有原函数 。原因是:导函数不可能“跳”——如果 F ′ = f F'=f F ′ = f 而 f f f 在某点跳了一下,F F F 就会在这一点出现尖角,不可导,矛盾。
注意“有原函数”和下一部分的“可积”(定积分存在)是两件事:有有限个跳跃点的有界函数可积 ,但没有原函数 ;反过来,函数有“振荡”间断点时,原函数可能存在。
x y O y =sgn x y =|x |尖角:不可导 −1 1 sgn x \operatorname{sgn}x sgn x 在 0 处跳跃;左右两段的原函数只能拼成 ∣ x ∣ + C |x|+C ∣ x ∣ + C ,而它在 0 处有尖角、不可导,所以 sgn x \operatorname{sgn}x sgn x 在 ( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) 上没有原函数。
原函数存在的三条结论
f f f 在区间 I I I 上连续 ⇒ \Rightarrow ⇒ f f f 在 I I I 上有原函数,比如 ∫ a x f ( t ) d t \int_a^xf(t)\dt ∫ a x f ( t ) d t (5.1 节证明)。
f f f 在 I I I 内有第一类间断点(可去或跳跃)⇒ \Rightarrow ⇒ f f f 在 I I I 上没有原函数。
f f f 有第二类间断点时,原函数可能有、可能没有。例:F ( x ) = x 2 sin 1 x F(x)=x^2\sin\frac1x F ( x ) = x 2 sin x 1 (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 ),F ( 0 ) = 0 F(0)=0 F ( 0 ) = 0 处处可导,F ′ ( x ) F'(x) F ′ ( x ) 在 0 处振荡间断,但它有原函数 F F F 。
另外:初等函数在定义区间上连续,所以都有原函数;但有的原函数写不成初等函数,如 ∫ e x 2 d x \int\e^{x^2}\dx ∫ e x 2 d x 、∫ sin x x d x \int\frac{\sin x}x\dx ∫ x s i n x d x 、∫ d x ln x \int\frac{\dx}{\ln x} ∫ l n x d x ——这些题只能用变限积分 ∫ 0 x \int_0^x ∫ 0 x 表示(第 5 部分)。
什么时候用
选择题问“
f f f 在某区间上是否存在原函数”,
f f f 通常是分段函数。
步骤
找分段点,求左右极限。
左右极限都存在:相等且等于函数值 → 连续 → 有原函数;否则是第一类间断点 → 没有原函数。
至少一侧极限不存在(振荡或无穷):第二类间断点,要具体构造或排除。
最容易错
以为“可积就有原函数”:有跳跃点的函数可积,但没有原函数;以为“有原函数就连续”:
x 2 sin 1 x x^2\sin\frac1x x 2 sin x 1 的导数是反例。
例 1.8 基础
证明:
f ( x ) = sgn x f(x)=\operatorname{sgn}x f ( x ) = sgn x 在
( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) 上没有原函数。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 假设有,分两段写出来。 设 F ′ = sgn x F'=\operatorname{sgn}x F ′ = sgn x 。在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 上 F ′ = 1 F'=1 F ′ = 1 ,所以 F = x + C 1 F=x+C_1 F = x + C 1 ;在 ( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 上 F ′ = − 1 F'=-1 F ′ = − 1 ,所以 F = − x + C 2 F=-x+C_2 F = − x + C 2 。
在每一段上 f f f 是常数,原函数只能是一次函数加常数(1.1 节:原函数之间只差常数)。
② 用“可导必连续”接起来。 F F F 在 0 处可导,所以连续:C 1 = lim x → 0 + F = F ( 0 ) = lim x → 0 − F = C 2 C_1=\lim\limits_{x\to0^+}F=F(0)=\lim\limits_{x\to0^-}F=C_2 C 1 = x → 0 + lim F = F ( 0 ) = x → 0 − lim F = C 2 。于是 F ( x ) = ∣ x ∣ + C 1 F(x)=|x|+C_1 F ( x ) = ∣ x ∣ + C 1 。
分段点处的函数值是被两侧的极限“夹”出来的。
③ 推出矛盾。 F ( x ) = ∣ x ∣ + C 1 F(x)=|x|+C_1 F ( x ) = ∣ x ∣ + C 1 在 0 处左导数 − 1 -1 − 1 、右导数 1 1 1 ,不可导,与 F ′ ( 0 ) = sgn 0 = 0 F'(0)=\operatorname{sgn}0=0 F ′ ( 0 ) = sgn 0 = 0 矛盾。
这就是“导函数不会跳”的具体体现;图中 ∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 的尖角就是矛盾所在。
答案:证明题。思路:若有原函数 F F F ,两段分别是 x + C 1 x+C_1 x + C 1 、− x + C 2 -x+C_2 − x + C 2 ,可导必连续把它粘成 ∣ x ∣ + C |x|+C ∣ x ∣ + C ,而 ∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 在 0 处不可导,矛盾。结论:有跳跃间断点的函数没有原函数。
例 1.9 李林 第五章 §1 例 1 · p111
设
f ( x ) = { 1 2 ( x 2 + 1 ) , 0 ≤ x < 1 1 3 ( x − 1 ) , 1 ≤ x ≤ 2 f(x)=\begin{cases}\frac12(x^2+1),&0\le x<1\\ \frac13(x-1),&1\le x\le2\end{cases} f ( x ) = { 2 1 ( x 2 + 1 ) , 3 1 ( x − 1 ) , 0 ≤ x < 1 1 ≤ x ≤ 2 ,
g ( x ) = ∫ 0 x f ( u ) d u g(x)=\int_0^xf(u)\du g ( x ) = ∫ 0 x f ( u ) d u 。求
g ( x ) g(x) g ( x ) 的表达式,并判断
g g g 在
( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 内是否连续、在
x = 1 x=1 x = 1 处是否可导。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 0 ≤ x < 1 0\le x<1 0 ≤ x < 1 时直接积分。 g ( x ) = ∫ 0 x 1 2 ( u 2 + 1 ) d u = 1 2 ( x 3 3 + x ) g(x)=\int_0^x\frac12(u^2+1)\du=\dfrac12\Big(\dfrac{x^3}3+x\Big) g ( x ) = ∫ 0 x 2 1 ( u 2 + 1 ) d u = 2 1 ( 3 x 3 + x ) 。
积分区间 [ 0 , x ] [0,x] [ 0 , x ] 完全落在第一段里,只用第一段的表达式。
② 1 ≤ x ≤ 2 1\le x\le2 1 ≤ x ≤ 2 时要分成两截。 g ( x ) = ∫ 0 1 1 2 ( u 2 + 1 ) d u + ∫ 1 x 1 3 ( u − 1 ) d u = 2 3 + ( x − 1 ) 2 6 g(x)=\int_0^1\frac12(u^2+1)\du+\int_1^x\frac13(u-1)\du=\dfrac23+\dfrac{(x-1)^2}6 g ( x ) = ∫ 0 1 2 1 ( u 2 + 1 ) d u + ∫ 1 x 3 1 ( u − 1 ) d u = 3 2 + 6 ( x − 1 ) 2 。
积分区间 [ 0 , x ] [0,x] [ 0 , x ] 跨过了分段点 1,定积分对区间可加(3.3 节),分两段各用各的表达式。
③ 在 x = 1 x=1 x = 1 处检查连续与可导。 lim x → 1 − g = 1 2 ( 1 3 + 1 ) = 2 3 = g ( 1 ) \lim\limits_{x\to1^-}g=\frac12\big(\frac13+1\big)=\frac23=g(1) x → 1 − lim g = 2 1 ( 3 1 + 1 ) = 3 2 = g ( 1 ) ,连续;左导数 g − ′ ( 1 ) = 1 2 ( 1 + 1 ) = 1 g'_-(1)=\frac12(1+1)=1 g − ′ ( 1 ) = 2 1 ( 1 + 1 ) = 1 ,右导数 g + ′ ( 1 ) = 1 3 ( 1 − 1 ) = 0 g'_+(1)=\frac13(1-1)=0 g + ′ ( 1 ) = 3 1 ( 1 − 1 ) = 0 ,不可导。
两段在 1 处的值相等所以连续;但斜率一个是 f ( 1 − ) = 1 f(1^-)=1 f ( 1 − ) = 1 、一个是 f ( 1 + ) = 0 f(1^+)=0 f ( 1 + ) = 0 ,出现尖角。
④ 结论。 g g g 在 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 内连续,但在 x = 1 x=1 x = 1 处不可导。所以 g g g 不是 f f f 在 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 上的原函数——与第 2 条结论一致:f f f 在 1 处跳跃,没有原函数。
变上限积分“可积就连续,连续才可导”(5.3 节),跳跃点处只能保证连续。
答案:g g g 在 ( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 ) 内连续,在 x = 1 x=1 x = 1 处不可导
例 1.10 李林 第五章 §1 提要 · p110
设
F ( x ) = { x 2 sin 1 x , x ≠ 0 0 , x = 0 F(x)=\begin{cases}x^2\sin\frac1x,&x\ne0\\0,&x=0\end{cases} F ( x ) = { x 2 sin x 1 , 0 , x = 0 x = 0 ,
f ( x ) = F ′ ( x ) f(x)=F'(x) f ( x ) = F ′ ( x ) 。求
f ( x ) f(x) f ( x ) ,并说明
f f f 在
x = 0 x=0 x = 0 处是第二类间断点,但
f f f 有原函数。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① x ≠ 0 x\ne0 x = 0 时用求导公式。 f ( x ) = 2 x sin 1 x − cos 1 x f(x)=2x\sin\dfrac1x-\cos\dfrac1x f ( x ) = 2 x sin x 1 − cos x 1 。
乘积法则加链式法则:( sin 1 x ) ′ = cos 1 x ⋅ ( − 1 x 2 ) \big(\sin\frac1x\big)'=\cos\frac1x\cdot\big(-\frac1{x^2}\big) ( sin x 1 ) ′ = cos x 1 ⋅ ( − x 2 1 ) 。
② x = 0 x=0 x = 0 处用导数定义。 f ( 0 ) = lim x → 0 x 2 sin 1 x − 0 x = lim x → 0 x sin 1 x = 0 f(0)=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{x^2\sin\frac1x-0}{x}=\lim\limits_{x\to0}x\sin\dfrac1x=0 f ( 0 ) = x → 0 lim x x 2 sin x 1 − 0 = x → 0 lim x sin x 1 = 0 。
分段点处不能套公式,只能用定义;无穷小乘有界量是无穷小。
③ f f f 在 0 处的极限不存在。 2 x sin 1 x → 0 2x\sin\frac1x\to0 2 x sin x 1 → 0 ,而 cos 1 x \cos\frac1x cos x 1 在 − 1 -1 − 1 与 1 1 1 之间振荡、没有极限,所以 lim x → 0 f ( x ) \lim\limits_{x\to0}f(x) x → 0 lim f ( x ) 不存在,0 是第二类(振荡)间断点。
极限存在的部分加上极限不存在的部分,和的极限不存在。
④ 结论。 F F F 处处可导且 F ′ = f F'=f F ′ = f ,所以 F F F 就是 f f f 的一个原函数。
这说明结论 3:第二类间断点不排除原函数存在,“有原函数”不能推出“连续”。
答案:f ( x ) = 2 x sin 1 x − cos 1 x f(x)=2x\sin\frac1x-\cos\frac1x f ( x ) = 2 x sin x 1 − cos x 1 (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 ),f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ;f f f 有原函数 F F F
1.5 分段函数的原函数:分段积分,连续性把常数“粘”起来
大白话:分段函数一段一段积分,每段先带一个常数;原函数必须可导,所以一定连续,分界点两边的值要相等——这个条件把几个常数粘在一起,最后只剩一个 C C C 。
x y O f =2(x −1)f =ln x F =(x −1)²(D) x (ln x −1)+1 (A) 的右段:在 1 处等于 −1,断开 1 2 2016 数一(2) 的 f f f (红)与正确的原函数(蓝,选项 D):两段在 x = 1 x=1 x = 1 处接上;选项 A 的右段(橙色虚线)比 D 低 1,在 x = 1 x=1 x = 1 处断开。
分段函数求原函数的公式
设 f ( x ) = { f 1 ( x ) , x < x 0 f 2 ( x ) , x ≥ x 0 f(x)=\begin{cases}f_1(x),&x<x_0\\f_2(x),&x\ge x_0\end{cases} f ( x ) = { f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , x < x 0 x ≥ x 0 在 x 0 x_0 x 0 处连续,F 1 , F 2 F_1,F_2 F 1 , F 2 分别是 f 1 , f 2 f_1,f_2 f 1 , f 2 的原函数,则
∫ f ( x ) d x = { F 1 ( x ) + C , x < x 0 F 2 ( x ) + F 1 ( x 0 ) − F 2 ( x 0 ) + C , x ≥ x 0 \displaystyle \int f(x)\dx=\begin{cases}F_1(x)+C,&x<x_0\\F_2(x)+F_1(x_0)-F_2(x_0)+C,&x\ge x_0\end{cases} ∫ f ( x ) d x = { F 1 ( x ) + C , F 2 ( x ) + F 1 ( x 0 ) − F 2 ( x 0 ) + C , x < x 0 x ≥ x 0
右段加的常数 F 1 ( x 0 ) − F 2 ( x 0 ) F_1(x_0)-F_2(x_0) F 1 ( x 0 ) − F 2 ( x 0 ) 就是让两段在 x 0 x_0 x 0 处接上的“补差”。选择题只要检查:每段求导对不对、分界点处接不接得上。
方法卡 · 分段函数的原函数
什么时候用
被积函数是分段函数,或含
∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 、
max { ⋯ } \max\{\cdots\} max { ⋯ } 、
min { ⋯ } \min\{\cdots\} min { ⋯ } (先写成分段函数)。
步骤
各段分别积分,各带一个常数 C 1 , C 2 , … C_1,C_2,\dots C 1 , C 2 , … 。
在每个分界点令左右两段的值相等(原函数连续),解出常数之间的关系。
用一个 C C C 表示所有常数,写出结果。
选择题:逐个选项检查“两段各自求导对不对”和“分界点处接不接得上”。
最容易错
每段各写一个独立的
C C C 就交卷;在
f f f 本身有跳跃的点硬求原函数(此时原函数不存在,1.4 节)。
例 1.11 2016 数一(2)
已知函数
f ( x ) = { 2 ( x − 1 ) , x < 1 ln x , x ≥ 1 f(x)=\begin{cases}2(x-1),&x<1\\ \ln x,&x\ge1\end{cases} f ( x ) = { 2 ( x − 1 ) , ln x , x < 1 x ≥ 1 ,则
f ( x ) f(x) f ( x ) 的一个原函数是( )
(A)
F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x < 1 x ( ln x − 1 ) , x ≥ 1 F(x)=\begin{cases}(x-1)^2,&x<1\\x(\ln x-1),&x\ge1\end{cases} F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x ( ln x − 1 ) , x < 1 x ≥ 1 (B)
F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x < 1 x ( ln x + 1 ) − 1 , x ≥ 1 F(x)=\begin{cases}(x-1)^2,&x<1\\x(\ln x+1)-1,&x\ge1\end{cases} F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x ( ln x + 1 ) − 1 , x < 1 x ≥ 1 (C)
F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x < 1 x ( ln x + 1 ) + 1 , x ≥ 1 F(x)=\begin{cases}(x-1)^2,&x<1\\x(\ln x+1)+1,&x\ge1\end{cases} F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x ( ln x + 1 ) + 1 , x < 1 x ≥ 1 (D)
F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x < 1 x ( ln x − 1 ) + 1 , x ≥ 1 F(x)=\begin{cases}(x-1)^2,&x<1\\x(\ln x-1)+1,&x\ge1\end{cases} F ( x ) = { ( x − 1 ) 2 , x ( ln x − 1 ) + 1 , x < 1 x ≥ 1
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 先看 f f f 在 1 处是否连续。 lim x → 1 − 2 ( x − 1 ) = 0 = ln 1 \lim\limits_{x\to1^-}2(x-1)=0=\ln1 x → 1 − lim 2 ( x − 1 ) = 0 = ln 1 ,f f f 连续,所以原函数存在。
如果 f f f 在 1 处跳跃,就没有原函数(1.4 节),四个选项都不对。
② 分段积分。 x < 1 x<1 x < 1 :∫ 2 ( x − 1 ) d x = ( x − 1 ) 2 + C 1 \int2(x-1)\dx=(x-1)^2+C_1 ∫ 2 ( x − 1 ) d x = ( x − 1 ) 2 + C 1 ;x ≥ 1 x\ge1 x ≥ 1 :∫ ln x d x = x ln x − x + C 2 = x ( ln x − 1 ) + C 2 \int\ln x\dx=x\ln x-x+C_2=x(\ln x-1)+C_2 ∫ ln x d x = x ln x − x + C 2 = x ( ln x − 1 ) + C 2 。
∫ ln x d x \int\ln x\dx ∫ ln x d x 用分部积分(2.4 节),A.1 节已经用求导验证过。
③ 在 x = 1 x=1 x = 1 处接上。 左段在 1 处的值 0 + C 1 0+C_1 0 + C 1 ,右段 1 ⋅ ( 0 − 1 ) + C 2 = − 1 + C 2 1\cdot(0-1)+C_2=-1+C_2 1 ⋅ ( 0 − 1 ) + C 2 = − 1 + C 2 ,所以 C 2 = C 1 + 1 C_2=C_1+1 C 2 = C 1 + 1 。取 C 1 = 0 C_1=0 C 1 = 0 :右段为 x ( ln x − 1 ) + 1 x(\ln x-1)+1 x ( ln x − 1 ) + 1 ,即(D)。
原函数可导必连续,两段的值必须相等。
④ 排除其余选项。 (A)右段在 1 处等于 − 1 -1 − 1 ,与左段的 0 接不上,不连续;(B)(C)右段求导得 ln x + 2 ≠ ln x \ln x+2\ne\ln x ln x + 2 = ln x ,连导数都不对。所以选(D)。
选择题两条标准:各段导数对、分界点连续,缺一不可。
答案:D
例 1.12 2023 数二(2)
函数
f ( x ) = { 1 1 + x 2 , x ≤ 0 ( x + 1 ) cos x , x > 0 f(x)=\begin{cases}\dfrac1{\sqrt{1+x^2}},&x\le0\\(x+1)\cos x,&x>0\end{cases} f ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 1 + x 2 1 , ( x + 1 ) cos x , x ≤ 0 x > 0 的一个原函数为( )
(A)
F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 − x ) , x ≤ 0 ( x + 1 ) cos x − sin x , x > 0 F(x)=\begin{cases}\ln\big(\sqrt{1+x^2}-x\big),&x\le0\\(x+1)\cos x-\sin x,&x>0\end{cases} F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 − x ) , ( x + 1 ) cos x − sin x , x ≤ 0 x > 0 (B)
F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 − x ) + 1 , x ≤ 0 ( x + 1 ) cos x − sin x , x > 0 F(x)=\begin{cases}\ln\big(\sqrt{1+x^2}-x\big)+1,&x\le0\\(x+1)\cos x-\sin x,&x>0\end{cases} F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 − x ) + 1 , ( x + 1 ) cos x − sin x , x ≤ 0 x > 0 (C)
F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 + x ) , x ≤ 0 ( x + 1 ) sin x + cos x , x > 0 F(x)=\begin{cases}\ln\big(\sqrt{1+x^2}+x\big),&x\le0\\(x+1)\sin x+\cos x,&x>0\end{cases} F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 + x ) , ( x + 1 ) sin x + cos x , x ≤ 0 x > 0 (D)
F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 + x ) + 1 , x ≤ 0 ( x + 1 ) sin x + cos x , x > 0 F(x)=\begin{cases}\ln\big(\sqrt{1+x^2}+x\big)+1,&x\le0\\(x+1)\sin x+\cos x,&x>0\end{cases} F ( x ) = { ln ( 1 + x 2 + x ) + 1 , ( x + 1 ) sin x + cos x , x ≤ 0 x > 0
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 左段:查表第 12 条。 ∫ d x 1 + x 2 = ln ( x + 1 + x 2 ) + C 1 \int\dfrac{\dx}{\sqrt{1+x^2}}=\ln\big(x+\sqrt{1+x^2}\big)+C_1 ∫ 1 + x 2 d x = ln ( x + 1 + x 2 ) + C 1 。
x + 1 + x 2 > 0 x+\sqrt{1+x^2}>0 x + 1 + x 2 > 0 ,绝对值可以去掉。(A)(B)的 ln ( 1 + x 2 − x ) \ln(\sqrt{1+x^2}-x) ln ( 1 + x 2 − x ) 求导是 − 1 1 + x 2 -\frac1{\sqrt{1+x^2}} − 1 + x 2 1 ,符号反了,排除。
② 右段:分部积分。 ∫ ( x + 1 ) cos x d x = ( x + 1 ) sin x − ∫ sin x d x = ( x + 1 ) sin x + cos x + C 2 \int(x+1)\cos x\dx=(x+1)\sin x-\int\sin x\dx=(x+1)\sin x+\cos x+C_2 ∫ ( x + 1 ) cos x d x = ( x + 1 ) sin x − ∫ sin x d x = ( x + 1 ) sin x + cos x + C 2 。
多项式乘三角函数,多项式当 u u u 求导降次(2.4 节)。
③ 在 x = 0 x=0 x = 0 处接上。 左段在 0 处 ln 1 + C 1 = C 1 \ln1+C_1=C_1 ln 1 + C 1 = C 1 ;右段 x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时趋于 0 + 1 + C 2 0+1+C_2 0 + 1 + C 2 。连续要求 C 1 = 1 + C 2 C_1=1+C_2 C 1 = 1 + C 2 ,取 C 2 = 0 C_2=0 C 2 = 0 得 C 1 = 1 C_1=1 C 1 = 1 ,所以选(D)。
(C)左段在 0 处是 0,右段趋于 1,接不上。
答案:D
例 1.13 李林 第五章 §1 例 5 · p112
求
∫ max { x 3 , x 2 , 1 } d x \int\max\{x^3,x^2,1\}\dx ∫ max { x 3 , x 2 , 1 } d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 先把 max \max max 写成分段函数。 x < − 1 x<-1 x < − 1 时 x 2 > 1 > x 3 x^2>1>x^3 x 2 > 1 > x 3 ,最大是 x 2 x^2 x 2 ;− 1 ≤ x ≤ 1 -1\le x\le1 − 1 ≤ x ≤ 1 时最大是 1;x > 1 x>1 x > 1 时 x 3 > x 2 > 1 x^3>x^2>1 x 3 > x 2 > 1 ,最大是 x 3 x^3 x 3 。
三条曲线 y = x 3 , x 2 , 1 y=x^3,x^2,1 y = x 3 , x 2 , 1 在 x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 处相交,交点把数轴分成三段,每段看谁在最上面。
② 分段积分。 x < − 1 x<-1 x < − 1 :x 3 3 + C 1 \dfrac{x^3}3+C_1 3 x 3 + C 1 ;− 1 ≤ x ≤ 1 -1\le x\le1 − 1 ≤ x ≤ 1 :x + C x+C x + C ;x > 1 x>1 x > 1 :x 4 4 + C 2 \dfrac{x^4}4+C_2 4 x 4 + C 2 。
各段用幂函数公式,各带一个常数;中间一段的常数就叫 C C C 。
③ 两个分界点都要接上。 x = 1 x=1 x = 1 :1 + C = 1 4 + C 2 1+C=\frac14+C_2 1 + C = 4 1 + C 2 ,C 2 = 3 4 + C C_2=\frac34+C C 2 = 4 3 + C ;x = − 1 x=-1 x = − 1 :− 1 + C = − 1 3 + C 1 -1+C=-\frac13+C_1 − 1 + C = − 3 1 + C 1 ,C 1 = − 2 3 + C C_1=-\frac23+C C 1 = − 3 2 + C 。
有几个分界点就有几个连续条件,最后只剩一个任意常数。
答案:∫ max { x 3 , x 2 , 1 } d x = { x 3 3 − 2 3 + C , x < − 1 x + C , − 1 ≤ x ≤ 1 x 4 4 + 3 4 + C , x > 1 \int\max\{x^3,x^2,1\}\dx=\begin{cases}\frac{x^3}3-\frac23+C,&x<-1\\x+C,&-1\le x\le1\\\frac{x^4}4+\frac34+C,&x>1\end{cases} ∫ max { x 3 , x 2 , 1 } d x = ⎩ ⎨ ⎧ 3 x 3 − 3 2 + C , x + C , 4 x 4 + 4 3 + C , x < − 1 − 1 ≤ x ≤ 1 x > 1
例 1.14 李林 第五章 习题 (8) · p122
求
∫ e − ∣ x ∣ d x \int\e^{-|x|}\dx ∫ e − ∣ x ∣ d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 去绝对值,分两段。 x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 :∫ e − x d x = − e − x + C 1 \int\e^{-x}\dx=-\e^{-x}+C_1 ∫ e − x d x = − e − x + C 1 ;x < 0 x<0 x < 0 :∫ e x d x = e x + C 2 \int\e^{x}\dx=\e^x+C_2 ∫ e x d x = e x + C 2 。
绝对值函数就是分段函数,分界点是 x = 0 x=0 x = 0 。
② 在 0 处接上。 右段在 0 处 − 1 + C 1 -1+C_1 − 1 + C 1 ,左段趋于 1 + C 2 1+C_2 1 + C 2 ,所以 C 1 = 2 + C 2 C_1=2+C_2 C 1 = 2 + C 2 。取 C 2 = C C_2=C C 2 = C 。
原函数可导,所以一定连续,两段在 0 处的值必须相等。
答案:∫ e − ∣ x ∣ d x = { e x + C , x < 0 2 − e − x + C , x ≥ 0 \int\e^{-|x|}\dx=\begin{cases}\e^x+C,&x<0\\2-\e^{-x}+C,&x\ge0\end{cases} ∫ e − ∣ x ∣ d x = { e x + C , 2 − e − x + C , x < 0 x ≥ 0
1.6 已知导数(或导数满足的关系)求函数
大白话:题目给的不是 f f f ,而是 f ′ f' f ′ 在某些点、某个式子上的值,要把 f f f 还原出来 。办法固定:把 f ′ f' f ′ 括号里的式子换成一个字母,写出 f ′ ( u ) f'(u) f ′ ( u ) ,积分,再用已知的函数值(或奇偶性、周期性)定常数。
x y O 平移 2 个周期(8) f (1)=−1f (7)=1f (−1)=1[0,2] 上 f =x ²−2x (橙色) 2 4 8 2014 数一(10):[ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上积分得 f = x 2 − 2 x f=x^2-2x f = x 2 − 2 x ;奇函数把它翻到 [ − 2 , 0 ] [-2,0] [ − 2 , 0 ] ,再以 4 为周期平移,f ( 7 ) = f ( − 1 ) = − f ( 1 ) = 1 f(7)=f(-1)=-f(1)=1 f ( 7 ) = f ( − 1 ) = − f ( 1 ) = 1 。
几个“搬家”工具
f ′ ( φ ( x ) ) = g ( x ) f'(\varphi(x))=g(x) f ′ ( φ ( x )) = g ( x ) :令 u = φ ( x ) u=\varphi(x) u = φ ( x ) ,把 x x x 用 u u u 表示,得到 f ′ ( u ) f'(u) f ′ ( u ) 。
奇函数:f ( − x ) = − f ( x ) f(-x)=-f(x) f ( − x ) = − f ( x ) ,在 0 处有定义时 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 。偶函数:f ( − x ) = f ( x ) f(-x)=f(x) f ( − x ) = f ( x ) 。
周期 T T T :f ( x + T ) = f ( x ) f(x+T)=f(x) f ( x + T ) = f ( x ) ,自变量可以加减 T T T 的整数倍。
( F 2 ) ′ = 2 F F ′ (F^2)'=2FF' ( F 2 ) ′ = 2 F F ′ :题目给 F ⋅ f F\cdot f F ⋅ f (f = F ′ f=F' f = F ′ )时,先求 F 2 F^2 F 2 。
方法卡 · 已知
f ′ f' f ′ 的某种关系求
f f f
什么时候用
题目给
f ′ ( 某式 ) = ⋯ f'(\text{某式})=\cdots f ′ ( 某式 ) = ⋯ ,或
f ′ f' f ′ 在一段上的表达式加奇偶、周期条件,或
F ⋅ F ′ F\cdot F' F ⋅ F ′ 的表达式。
步骤
换元:令 u = u= u = 括号里的式子,写出 f ′ ( u ) f'(u) f ′ ( u ) (分段的话分段写)。
积分得 f ( u ) + C f(u)+C f ( u ) + C ;分段时用连续性粘常数。
用已知的函数值、f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 (奇函数)等定常数。
要求远处的值时,用周期、奇偶把自变量搬到已知的区间里。
最容易错
换元时只换了括号里的
x x x ,右边的
x x x 没换;奇函数忘了用
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 定常数。
例 1.15 2014 数一(10)
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 是周期为 4 的可导奇函数,且
f ′ ( x ) = 2 ( x − 1 ) f'(x)=2(x-1) f ′ ( x ) = 2 ( x − 1 ) ,
x ∈ [ 0 , 2 ] x\in[0,2] x ∈ [ 0 , 2 ] ,则
f ( 7 ) = f(7)= f ( 7 ) = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 在 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上积分。 f ( x ) = ∫ 2 ( x − 1 ) d x = ( x − 1 ) 2 + C = x 2 − 2 x + 1 + C f(x)=\int2(x-1)\dx=(x-1)^2+C=x^2-2x+1+C f ( x ) = ∫ 2 ( x − 1 ) d x = ( x − 1 ) 2 + C = x 2 − 2 x + 1 + C 。
知道导数求函数,先求不定积分。
② 奇函数定常数。 奇函数在 0 处有定义,所以 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 :1 + C = 0 1+C=0 1 + C = 0 ,C = − 1 C=-1 C = − 1 。于是在 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上 f ( x ) = x 2 − 2 x f(x)=x^2-2x f ( x ) = x 2 − 2 x 。
f ( 0 ) = − f ( 0 ) f(0)=-f(0) f ( 0 ) = − f ( 0 ) 推出 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,这是奇函数最常用的一个条件。
③ 用周期和奇偶把 7 搬进 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 。 f ( 7 ) = f ( 7 − 8 ) = f ( − 1 ) = − f ( 1 ) = − ( 1 − 2 ) = 1 f(7)=f(7-8)=f(-1)=-f(1)=-(1-2)=1 f ( 7 ) = f ( 7 − 8 ) = f ( − 1 ) = − f ( 1 ) = − ( 1 − 2 ) = 1 。
7 不在 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 里:先减两个周期到 − 1 -1 − 1 ,再用奇函数翻到 1。
答案:1
例 1.16 李林 第五章 §1 例 3 · p111
设
f ′ ( e x ) = x e − x f'(\e^x)=x\e^{-x} f ′ ( e x ) = x e − x ,且
f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 ,求
f ( x ) f(x) f ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 换元。 令 u = e x u=\e^x u = e x ,则 x = ln u x=\ln u x = ln u ,e − x = 1 u \e^{-x}=\dfrac1u e − x = u 1 ,所以 f ′ ( u ) = ln u u f'(u)=\dfrac{\ln u}u f ′ ( u ) = u ln u (u > 0 u>0 u > 0 )。
右边的 x x x 和 e − x \e^{-x} e − x 都要用 u u u 表示。
② 积分。 f ( u ) = ∫ ln u u d u = ∫ ln u d ( ln u ) = 1 2 ln 2 u + C f(u)=\int\dfrac{\ln u}u\du=\int\ln u\,\dd(\ln u)=\dfrac12\ln^2u+C f ( u ) = ∫ u ln u d u = ∫ ln u d ( ln u ) = 2 1 ln 2 u + C 。
d u u = d ( ln u ) \frac{\du}u=\dd(\ln u) u d u = d ( ln u ) ,这是凑微分(2.1 节),相当于对 ln u \ln u ln u 这个整体用幂函数公式。
③ 定常数。 f ( 1 ) = 1 2 ⋅ 0 + C = 0 f(1)=\frac12\cdot0+C=0 f ( 1 ) = 2 1 ⋅ 0 + C = 0 ,C = 0 C=0 C = 0 ,所以 f ( x ) = 1 2 ln 2 x f(x)=\dfrac12\ln^2x f ( x ) = 2 1 ln 2 x 。
把字母 u u u 换回 x x x 就是答案。
答案:f ( x ) = 1 2 ln 2 x f(x)=\frac12\ln^2x f ( x ) = 2 1 ln 2 x
例 1.17 李林 第五章 §2 例 11 · p121
设
f ′ ( ln x ) = { 1 , 0 < x ≤ 1 x , x > 1 f'(\ln x)=\begin{cases}1,&0<x\le1\\x,&x>1\end{cases} f ′ ( ln x ) = { 1 , x , 0 < x ≤ 1 x > 1 ,
f f f 连续,求
f ( x ) f(x) f ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 换元,注意分段范围也要换。 令 u = ln x u=\ln x u = ln x ,x = e u x=\e^u x = e u 。0 < x ≤ 1 0<x\le1 0 < x ≤ 1 对应 u ≤ 0 u\le0 u ≤ 0 ,x > 1 x>1 x > 1 对应 u > 0 u>0 u > 0 ,所以 f ′ ( u ) = { 1 , u ≤ 0 e u , u > 0 f'(u)=\begin{cases}1,&u\le0\\\e^u,&u>0\end{cases} f ′ ( u ) = { 1 , e u , u ≤ 0 u > 0 。
换元后分段点从 x = 1 x=1 x = 1 变成 u = 0 u=0 u = 0 ;右边的 x x x 也换成 e u \e^u e u 。
② 分段积分。 u ≤ 0 u\le0 u ≤ 0 :f ( u ) = u + C 1 f(u)=u+C_1 f ( u ) = u + C 1 ;u > 0 u>0 u > 0 :f ( u ) = e u + C 2 f(u)=\e^u+C_2 f ( u ) = e u + C 2 。
每一段上都是“已知导数求原函数”,各自可以差一个任意常数,所以两段各写一个;下一步再用连续性把两个常数联系起来。
③ 用连续性粘常数。 u = 0 u=0 u = 0 处:0 + C 1 = 1 + C 2 0+C_1=1+C_2 0 + C 1 = 1 + C 2 ,即 C 1 = 1 + C 2 C_1=1+C_2 C 1 = 1 + C 2 。记 C 2 = C C_2=C C 2 = C 。
题目说 f f f 连续(可导也推出连续)。
答案:f ( x ) = { x + 1 + C , x ≤ 0 e x + C , x > 0 f(x)=\begin{cases}x+1+C,&x\le0\\\e^x+C,&x>0\end{cases} f ( x ) = { x + 1 + C , e x + C , x ≤ 0 x > 0
例 1.18 李林 第五章 §2 例 8 · p120—121
设
F ( x ) F(x) F ( x ) 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的一个原函数,当
x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 时
f ( x ) F ( x ) = x e x 2 ( 1 + x ) 2 f(x)F(x)=\dfrac{x\e^x}{2(1+x)^2} f ( x ) F ( x ) = 2 ( 1 + x ) 2 x e x ,且
F ( 0 ) = 1 F(0)=1 F ( 0 ) = 1 ,
F ( x ) > 0 F(x)>0 F ( x ) > 0 。求
f ( x ) f(x) f ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 看出 f F fF f F 是 1 2 ( F 2 ) ′ \frac12(F^2)' 2 1 ( F 2 ) ′ 。 ( F 2 ) ′ = 2 F F ′ = 2 f F = x e x ( 1 + x ) 2 (F^2)'=2FF'=2fF=\dfrac{x\e^x}{(1+x)^2} ( F 2 ) ′ = 2 F F ′ = 2 f F = ( 1 + x ) 2 x e x 。
题目给的是“函数乘它的导数”,这是某个平方的导数的一半。
② 积分求 F 2 F^2 F 2 。 ( e x 1 + x ) ′ = e x ( 1 + x ) − e x ( 1 + x ) 2 = x e x ( 1 + x ) 2 \left(\dfrac{\e^x}{1+x}\right)'=\dfrac{\e^x(1+x)-\e^x}{(1+x)^2}=\dfrac{x\e^x}{(1+x)^2} ( 1 + x e x ) ′ = ( 1 + x ) 2 e x ( 1 + x ) − e x = ( 1 + x ) 2 x e x ,所以 F 2 = e x 1 + x + C F^2=\dfrac{\e^x}{1+x}+C F 2 = 1 + x e x + C 。
这个原函数在 2.7 节用“分部积分消项”推出;这里直接求导验证它对。
③ 定常数,开方。 F ( 0 ) = 1 F(0)=1 F ( 0 ) = 1 :1 = 1 + C 1=1+C 1 = 1 + C ,C = 0 C=0 C = 0 。F > 0 F>0 F > 0 ,所以 F ( x ) = e x 1 + x = e x 2 ( 1 + x ) − 1 2 F(x)=\sqrt{\dfrac{\e^x}{1+x}}=\e^{\frac x2}(1+x)^{-\frac12} F ( x ) = 1 + x e x = e 2 x ( 1 + x ) − 2 1 。
开方取正号是因为题目给了 F > 0 F>0 F > 0 。
④ 求导得 f f f 。 f = F ′ = 1 2 e x 2 ( 1 + x ) − 1 2 − 1 2 e x 2 ( 1 + x ) − 3 2 = x e x 2 2 ( 1 + x ) 3 2 f=F'=\dfrac12\e^{\frac x2}(1+x)^{-\frac12}-\dfrac12\e^{\frac x2}(1+x)^{-\frac32}=\dfrac{x\e^{\frac x2}}{2(1+x)^{\frac32}} f = F ′ = 2 1 e 2 x ( 1 + x ) − 2 1 − 2 1 e 2 x ( 1 + x ) − 2 3 = 2 ( 1 + x ) 2 3 x e 2 x 。
提出公因子 1 2 e x 2 ( 1 + x ) − 3 2 \frac12\e^{\frac x2}(1+x)^{-\frac32} 2 1 e 2 x ( 1 + x ) − 2 3 ,括号里剩 ( 1 + x ) − 1 = x (1+x)-1=x ( 1 + x ) − 1 = x 。
答案:f ( x ) = x e x / 2 2 ( 1 + x ) 3 / 2 f(x)=\dfrac{x\e^{x/2}}{2(1+x)^{3/2}} f ( x ) = 2 ( 1 + x ) 3/2 x e x /2 (x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 )
1.7 小结
题目里的说法 换成什么 例子
“F F F 是 f f f 的原函数” F ′ = f F'=f F ′ = f ;全体原函数 F + C F+C F + C 例 1.2
已知斜率(导数)和一个点 积分后代点定 C C C 例 1.1
被积函数是几项的和、积、商 展开、拆项、三角恒等变形,再查表 例 1.3 、例 1.4
d d x ∫ \frac{\dd}{\dd x}\int d x d ∫ 、∫ d \int\dd ∫ d 、∫ f ′ \int f' ∫ f ′ 先积后导不加 C C C ,先导后积加 C C C 例 1.5
“sin x x \frac{\sin x}x x s i n x 是 f f f 的原函数”求 ∫ f ( a x ) \int f(ax) ∫ f ( a x ) 换元 u = a x u=ax u = a x 例 1.6
“f f f 在区间上有没有原函数” 连续 → 有;第一类间断 → 无;第二类 → 看具体 例 1.8 、例 1.10
∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f ,f f f 有跳跃点连续但在跳跃点不可导 例 1.9
分段函数、∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 、max \max max 的原函数 分段积分,连续性粘常数 例 1.11 、例 1.13
f ′ ( φ ( x ) ) = g ( x ) f'(\varphi(x))=g(x) f ′ ( φ ( x )) = g ( x ) 令 u = φ ( x ) u=\varphi(x) u = φ ( x ) ,换元后积分 例 1.16 、例 1.17
f ′ f' f ′ 在一段上已知 + 奇偶、周期积分,f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 定常数,再搬家 例 1.15
给 F ⋅ f F\cdot f F ⋅ f 的表达式 ( F 2 ) ′ = 2 F f (F^2)'=2Ff ( F 2 ) ′ = 2 F f ,先求 F 2 F^2 F 2 例 1.18
学完了,标记这一部分
第 2 部分
不定积分的计算
四大方法:凑微分、第二换元(根式、三角、倒代换)、分部积分,加上两类“一定能积”的函数:有理函数与三角有理式。最后是真题常见的“换元 + 分部”接力。
考试要求(大纲原文,李林讲义第五章第 3、4 条)
掌握不定积分的换元积分法与分部积分法。
会求有理函数、三角函数有理式和简单无理函数的不定积分。
对应李林讲义第五章第二节(p112—121):题型一 换元积分法、题型二 分部积分法、题型三 综合。这一部分是整章的“手上功夫”,定积分、反常积分、应用题最后都要回到这里。学完后看第 9 部分 9.1 节的总表,按“形状”复习一遍。
2.1 第一换元法(凑微分):把一块看成一个字母
大白话:被积函数里如果同时出现“某个式子 φ ( x ) \varphi(x) φ ( x ) ”和“它的导数 φ ′ ( x ) \varphi'(x) φ ′ ( x ) ”,就把 φ ′ ( x ) d x \varphi'(x)\dx φ ′ ( x ) d x 合成 d φ ( x ) \dd\varphi(x) d φ ( x ) ,再把 φ ( x ) \varphi(x) φ ( x ) 整个看成一个字母 u u u ,积分就回到了积分表 。这就是链式法则倒过来用(A.2 节)。
例:∫ 2 x cos x 2 d x \int2x\cos x^2\dx ∫ 2 x cos x 2 d x 。里面有 x 2 x^2 x 2 ,也有它的导数 2 x 2x 2 x ,所以 2 x d x = d ( x 2 ) 2x\dx=\dd(x^2) 2 x d x = d ( x 2 ) ,原式 = ∫ cos ( x 2 ) d ( x 2 ) = sin x 2 + C =\int\cos(x^2)\,\dd(x^2)=\sin x^2+C = ∫ cos ( x 2 ) d ( x 2 ) = sin x 2 + C 。
x y 1.2 y =2x cos x ²u y 1.44 y =cos u 面积 = sin 1.44 ≈ 0.9915 面积 = sin 1.44 ≈ 0.9915 u =x ²左边是 y = 2 x cos x 2 y=2x\cos x^2 y = 2 x cos x 2 下的面积,右边令 u = x 2 u=x^2 u = x 2 后是 y = cos u y=\cos u y = cos u 下的面积,两者相等。凑微分只是换了一把“尺子”量同一块面积。
凑微分公式(李林 p113,a ≠ 0 a\ne0 a = 0 )
被积函数的样子 凑成
f ( a x + b ) f(ax+b) f ( a x + b ) 1 a ∫ f ( a x + b ) d ( a x + b ) \frac1a\int f(ax+b)\,\dd(ax+b) a 1 ∫ f ( a x + b ) d ( a x + b )
f ( a x n + b ) x n − 1 f(ax^n+b)\,x^{n-1} f ( a x n + b ) x n − 1 1 n a ∫ f ( a x n + b ) d ( a x n + b ) \frac1{na}\int f(ax^n+b)\,\dd(ax^n+b) na 1 ∫ f ( a x n + b ) d ( a x n + b )
f ( 1 x ) 1 x 2 f\big(\frac1x\big)\frac1{x^2} f ( x 1 ) x 2 1 − ∫ f ( 1 x ) d ( 1 x ) -\int f\big(\frac1x\big)\dd\big(\frac1x\big) − ∫ f ( x 1 ) d ( x 1 )
f ( x ) 1 x f(\sqrt x)\frac1{\sqrt x} f ( x ) x 1 2 ∫ f ( x ) d x 2\int f(\sqrt x)\,\dd\sqrt x 2 ∫ f ( x ) d x
f ( ln x ) 1 x f(\ln x)\frac1x f ( ln x ) x 1 ∫ f ( ln x ) d ln x \int f(\ln x)\,\dd\ln x ∫ f ( ln x ) d ln x
f ( e x ) e x f(\e^x)\e^x f ( e x ) e x ∫ f ( e x ) d e x \int f(\e^x)\,\dd\e^x ∫ f ( e x ) d e x
f ( sin x ) cos x f(\sin x)\cos x f ( sin x ) cos x ;f ( cos x ) sin x f(\cos x)\sin x f ( cos x ) sin x ∫ f ( sin x ) d sin x \int f(\sin x)\,\dd\sin x ∫ f ( sin x ) d sin x ;− ∫ f ( cos x ) d cos x -\int f(\cos x)\,\dd\cos x − ∫ f ( cos x ) d cos x
f ( tan x ) sec 2 x f(\tan x)\sec^2x f ( tan x ) sec 2 x ∫ f ( tan x ) d tan x \int f(\tan x)\,\dd\tan x ∫ f ( tan x ) d tan x
f ( arctan x ) 1 1 + x 2 f(\arctan x)\frac1{1+x^2} f ( arctan x ) 1 + x 2 1 ;f ( arcsin x ) 1 1 − x 2 f(\arcsin x)\frac1{\sqrt{1-x^2}} f ( arcsin x ) 1 − x 2 1 ∫ f ( arctan x ) d arctan x \int f(\arctan x)\,\dd\arctan x ∫ f ( arctan x ) d arctan x ;∫ f ( arcsin x ) d arcsin x \int f(\arcsin x)\,\dd\arcsin x ∫ f ( arcsin x ) d arcsin x
f ( x ln x ) ( 1 + ln x ) f(x\ln x)(1+\ln x) f ( x ln x ) ( 1 + ln x ) ;f ( x e x ) ( 1 + x ) e x f(x\e^x)(1+x)\e^x f ( x e x ) ( 1 + x ) e x ∫ f ( x ln x ) d ( x ln x ) \int f(x\ln x)\,\dd(x\ln x) ∫ f ( x ln x ) d ( x ln x ) ;∫ f ( x e x ) d ( x e x ) \int f(x\e^x)\,\dd(x\e^x) ∫ f ( x e x ) d ( x e x )
方法卡 · 凑微分
什么时候用
被积函数是“一个复合函数 × 一个因子”,而这个因子恰好是里层函数的导数(差一个常数倍也行)。
步骤
找里层 φ ( x ) \varphi(x) φ ( x ) :根号里、指数上、分母里、ln \ln ln 和 arctan \arctan arctan 后面的那一块。
求 φ ′ ( x ) \varphi'(x) φ ′ ( x ) ,看剩下的因子是不是它(的常数倍)。
写成 ∫ f ( φ ) d φ \int f(\varphi)\,\dd\varphi ∫ f ( φ ) d φ ,把 φ \varphi φ 当一个字母查表。
求导验算。凑不出来时,试着上下同乘、同除一个因子(例 2.4 )。
最容易错
凑出来的因子差常数倍时忘了补系数:
∫ e 3 x d x = 1 3 e 3 x + C \int\e^{3x}\dx=\frac13\e^{3x}+C ∫ e 3 x d x = 3 1 e 3 x + C ,不是
e 3 x + C \e^{3x}+C e 3 x + C ;
∫ d x x 2 − a 2 \int\frac{\dx}{x^2-a^2} ∫ x 2 − a 2 d x 的
1 2 a \frac1{2a} 2 a 1 漏写。
例 2.1 基础
求:(1)
∫ x e x 2 d x \int x\e^{x^2}\dx ∫ x e x 2 d x ;(2)
∫ sin x x d x \int\dfrac{\sin\sqrt x}{\sqrt x}\dx ∫ x sin x d x ;(3)
∫ d x x ln x \int\dfrac{\dx}{x\ln x} ∫ x ln x d x ;(4)
∫ sin 5 x cos x d x \int\sin^5x\cos x\dx ∫ sin 5 x cos x d x ;(5)
∫ arctan x 1 + x 2 d x \int\dfrac{\arctan x}{1+x^2}\dx ∫ 1 + x 2 arctan x d x ;(6)
∫ e x 1 + e 2 x d x \int\dfrac{\e^x}{1+\e^{2x}}\dx ∫ 1 + e 2 x e x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 里层 x 2 x^2 x 2 ,导数 2 x 2x 2 x 。 x d x = 1 2 d ( x 2 ) x\dx=\frac12\dd(x^2) x d x = 2 1 d ( x 2 ) ,∫ x e x 2 d x = 1 2 ∫ e x 2 d ( x 2 ) = 1 2 e x 2 + C \int x\e^{x^2}\dx=\frac12\int\e^{x^2}\dd(x^2)=\frac12\e^{x^2}+C ∫ x e x 2 d x = 2 1 ∫ e x 2 d ( x 2 ) = 2 1 e x 2 + C 。
剩下的因子 x x x 是 2 x 2x 2 x 的一半,所以前面补 1 2 \frac12 2 1 。
② (2) 里层 x \sqrt x x 。 d x x = 2 d x \dfrac{\dx}{\sqrt x}=2\dd\sqrt x x d x = 2 d x ,原式 = 2 ∫ sin x d x = − 2 cos x + C =2\int\sin\sqrt x\,\dd\sqrt x=-2\cos\sqrt x+C = 2 ∫ sin x d x = − 2 cos x + C 。
看到 1 x \frac1{\sqrt x} x 1 就想 d x \dd\sqrt x d x ,表中第 4 行。
③ (3) 里层 ln x \ln x ln x 。 d x x = d ln x \dfrac{\dx}x=\dd\ln x x d x = d ln x ,原式 = ∫ d ln x ln x = ln ∣ ln x ∣ + C =\int\dfrac{\dd\ln x}{\ln x}=\ln|\ln x|+C = ∫ ln x d ln x = ln ∣ ln x ∣ + C 。
把 ln x \ln x ln x 整体看成一个字母 u u u ,被积式就是积分表第 2 条 ∫ d u u = ln ∣ u ∣ \int\frac{\du}u=\ln|u| ∫ u d u = ln ∣ u ∣ 。
④ (4) 里层 sin x \sin x sin x 。 cos x d x = d sin x \cos x\dx=\dd\sin x cos x d x = d sin x ,原式 = ∫ sin 5 x d sin x = sin 6 x 6 + C =\int\sin^5x\,\dd\sin x=\dfrac{\sin^6x}6+C = ∫ sin 5 x d sin x = 6 sin 6 x + C 。
把 sin x \sin x sin x 看成 u u u ,就是幂函数 ∫ u 5 d u = u 6 6 \int u^5\du=\frac{u^6}6 ∫ u 5 d u = 6 u 6 ,最后把 u u u 换回 sin x \sin x sin x 。
⑤ (5) 里层 arctan x \arctan x arctan x 。 d x 1 + x 2 = d arctan x \dfrac{\dx}{1+x^2}=\dd\arctan x 1 + x 2 d x = d arctan x ,原式 = ∫ arctan x d arctan x = 1 2 arctan 2 x + C =\int\arctan x\,\dd\arctan x=\dfrac12\arctan^2x+C = ∫ arctan x d arctan x = 2 1 arctan 2 x + C 。
反三角函数后面跟着它自己的导数,是最典型的凑微分信号。
⑥ (6) 里层 e x \e^x e x 。 e x d x = d e x \e^x\dx=\dd\e^x e x d x = d e x ,e 2 x = ( e x ) 2 \e^{2x}=(\e^x)^2 e 2 x = ( e x ) 2 ,原式 = ∫ d e x 1 + ( e x ) 2 = arctan e x + C =\int\dfrac{\dd\e^x}{1+(\e^x)^2}=\arctan\e^x+C = ∫ 1 + ( e x ) 2 d e x = arctan e x + C 。
把 e x \e^x e x 看成 u u u ,就是积分表第 9 条 ∫ d u 1 + u 2 = arctan u \int\frac{\du}{1+u^2}=\arctan u ∫ 1 + u 2 d u = arctan u 。
答案:(1) 1 2 e x 2 + C \frac12\e^{x^2}+C 2 1 e x 2 + C ;(2) − 2 cos x + C -2\cos\sqrt x+C − 2 cos x + C ;(3) ln ∣ ln x ∣ + C \ln|\ln x|+C ln ∣ ln x ∣ + C ;(4) sin 6 x 6 + C \frac{\sin^6x}6+C 6 s i n 6 x + C ;(5) 1 2 arctan 2 x + C \frac12\arctan^2x+C 2 1 arctan 2 x + C ;(6) arctan e x + C \arctan\e^x+C arctan e x + C
例 2.2 基础
用凑微分推出积分表的几条:(1)
∫ tan x d x \int\tan x\dx ∫ tan x d x ;(2)
∫ sec x d x \int\sec x\dx ∫ sec x d x ;(3)
∫ d x a 2 + x 2 \int\dfrac{\dx}{a^2+x^2} ∫ a 2 + x 2 d x ;(4)
∫ d x x 2 − a 2 \int\dfrac{\dx}{x^2-a^2} ∫ x 2 − a 2 d x (
a > 0 a>0 a > 0 )。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 写成 sin x cos x \frac{\sin x}{\cos x} c o s x s i n x 。 sin x d x = − d cos x \sin x\dx=-\dd\cos x sin x d x = − d cos x ,∫ tan x d x = − ∫ d cos x cos x = − ln ∣ cos x ∣ + C \int\tan x\dx=-\int\dfrac{\dd\cos x}{\cos x}=-\ln|\cos x|+C ∫ tan x d x = − ∫ cos x d cos x = − ln ∣ cos x ∣ + C 。
分子正好是分母的导数(差一个负号)。
② (2) 上下同乘 sec x + tan x \sec x+\tan x sec x + tan x 。 ( sec x + tan x ) ′ = sec x tan x + sec 2 x = sec x ( sec x + tan x ) (\sec x+\tan x)'=\sec x\tan x+\sec^2x=\sec x(\sec x+\tan x) ( sec x + tan x ) ′ = sec x tan x + sec 2 x = sec x ( sec x + tan x ) ,所以 ∫ sec x d x = ∫ d ( sec x + tan x ) sec x + tan x = ln ∣ sec x + tan x ∣ + C \int\sec x\dx=\int\dfrac{\dd(\sec x+\tan x)}{\sec x+\tan x}=\ln|\sec x+\tan x|+C ∫ sec x d x = ∫ sec x + tan x d ( sec x + tan x ) = ln ∣ sec x + tan x ∣ + C 。
这是一个“凑出来”的技巧:乘上去之后分子变成了分母的导数。
③ (3) 提出 a 2 a^2 a 2 。 ∫ d x a 2 ( 1 + ( x / a ) 2 ) = 1 a ∫ d ( x / a ) 1 + ( x / a ) 2 = 1 a arctan x a + C \int\dfrac{\dx}{a^2(1+(x/a)^2)}=\dfrac1a\int\dfrac{\dd(x/a)}{1+(x/a)^2}=\dfrac1a\arctan\dfrac xa+C ∫ a 2 ( 1 + ( x / a ) 2 ) d x = a 1 ∫ 1 + ( x / a ) 2 d ( x / a ) = a 1 arctan a x + C 。
把 x a \frac xa a x 看成 u u u ,d x = a d u \dd x=a\,\dd u d x = a d u ,所以前面剩 1 a \frac1a a 1 。
④ (4) 拆成两项。 1 x 2 − a 2 = 1 2 a ( 1 x − a − 1 x + a ) \dfrac1{x^2-a^2}=\dfrac1{2a}\Big(\dfrac1{x-a}-\dfrac1{x+a}\Big) x 2 − a 2 1 = 2 a 1 ( x − a 1 − x + a 1 ) ,积分得 1 2 a ( ln ∣ x − a ∣ − ln ∣ x + a ∣ ) = 1 2 a ln ∣ x − a x + a ∣ + C \dfrac1{2a}\big(\ln|x-a|-\ln|x+a|\big)=\dfrac1{2a}\ln\left|\dfrac{x-a}{x+a}\right|+C 2 a 1 ( ln ∣ x − a ∣ − ln ∣ x + a ∣ ) = 2 a 1 ln x + a x − a + C 。
A.4 节的拆项;每一项是 ∫ d ( x ± a ) x ± a \int\frac{\dd(x\pm a)}{x\pm a} ∫ x ± a d ( x ± a ) 。
答案:(1) − ln ∣ cos x ∣ + C -\ln|\cos x|+C − ln ∣ cos x ∣ + C ;(2) ln ∣ sec x + tan x ∣ + C \ln|\sec x+\tan x|+C ln ∣ sec x + tan x ∣ + C ;(3) 1 a arctan x a + C \frac1a\arctan\frac xa+C a 1 arctan a x + C ;(4) 1 2 a ln ∣ x − a x + a ∣ + C \frac1{2a}\ln\left|\frac{x-a}{x+a}\right|+C 2 a 1 ln x + a x − a + C
例 2.3 李林 第五章 §2 例 1 · p115—116
求:(1)
∫ d x x ( 1 + 2 ln x ) \int\dfrac{\dx}{x(1+2\ln x)} ∫ x ( 1 + 2 ln x ) d x ;(2)
∫ d x 1 + e x \int\dfrac{\dx}{1+\e^x} ∫ 1 + e x d x ;(3)
∫ sin 2 x 1 + sin 4 x d x \int\dfrac{\sin2x}{1+\sin^4x}\dx ∫ 1 + sin 4 x sin 2 x d x ;(4)
∫ ln tan x sin 2 x d x \int\dfrac{\ln\tan x}{\sin2x}\dx ∫ sin 2 x ln tan x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 里层 1 + 2 ln x 1+2\ln x 1 + 2 ln x 。 d ( 1 + 2 ln x ) = 2 x d x \dd(1+2\ln x)=\dfrac2x\dx d ( 1 + 2 ln x ) = x 2 d x ,原式 = 1 2 ∫ d ( 1 + 2 ln x ) 1 + 2 ln x = 1 2 ln ∣ 1 + 2 ln x ∣ + C =\dfrac12\int\dfrac{\dd(1+2\ln x)}{1+2\ln x}=\dfrac12\ln|1+2\ln x|+C = 2 1 ∫ 1 + 2 ln x d ( 1 + 2 ln x ) = 2 1 ln ∣1 + 2 ln x ∣ + C 。
被积函数里有 ln x \ln x ln x ,旁边的 1 x \frac1x x 1 正好是它的导数,所以能凑;d ( 1 + 2 ln x ) = 2 x d x \dd(1+2\ln x)=\frac2x\dx d ( 1 + 2 ln x ) = x 2 d x 多了系数 2,前面补 1 2 \frac12 2 1 抵消。
② (2) 分子加一减一。 1 1 + e x = ( 1 + e x ) − e x 1 + e x = 1 − e x 1 + e x \dfrac1{1+\e^x}=\dfrac{(1+\e^x)-\e^x}{1+\e^x}=1-\dfrac{\e^x}{1+\e^x} 1 + e x 1 = 1 + e x ( 1 + e x ) − e x = 1 − 1 + e x e x ,积分得 x − ln ( 1 + e x ) + C x-\ln(1+\e^x)+C x − ln ( 1 + e x ) + C 。
e x 1 + e x \frac{\e^x}{1+\e^x} 1 + e x e x 的分子是分母的导数;这样拆开就能凑。也可以上下同乘 e − x \e^{-x} e − x :∫ e − x e − x + 1 d x = − ln ( 1 + e − x ) + C \int\frac{\e^{-x}}{\e^{-x}+1}\dx=-\ln(1+\e^{-x})+C ∫ e − x + 1 e − x d x = − ln ( 1 + e − x ) + C ,与前者只差常数。
③ (3) sin 2 x d x = d ( sin 2 x ) \sin2x\dx=\dd(\sin^2x) sin 2 x d x = d ( sin 2 x ) 。 ( sin 2 x ) ′ = 2 sin x cos x = sin 2 x (\sin^2x)'=2\sin x\cos x=\sin2x ( sin 2 x ) ′ = 2 sin x cos x = sin 2 x ,而 sin 4 x = ( sin 2 x ) 2 \sin^4x=(\sin^2x)^2 sin 4 x = ( sin 2 x ) 2 ,原式 = ∫ d ( sin 2 x ) 1 + ( sin 2 x ) 2 = arctan ( sin 2 x ) + C =\int\dfrac{\dd(\sin^2x)}{1+(\sin^2x)^2}=\arctan(\sin^2x)+C = ∫ 1 + ( sin 2 x ) 2 d ( sin 2 x ) = arctan ( sin 2 x ) + C 。
分母里的 sin 4 x \sin^4x sin 4 x 提示把 sin 2 x \sin^2x sin 2 x 当成 u u u ;分子正好是它的导数。
④ (4) 求 ln tan x \ln\tan x ln tan x 的导数。 ( ln tan x ) ′ = sec 2 x tan x = 1 sin x cos x = 2 sin 2 x (\ln\tan x)'=\dfrac{\sec^2x}{\tan x}=\dfrac1{\sin x\cos x}=\dfrac2{\sin2x} ( ln tan x ) ′ = tan x sec 2 x = sin x cos x 1 = sin 2 x 2 ,所以原式 = 1 2 ∫ ln tan x d ( ln tan x ) = 1 4 ln 2 tan x + C =\dfrac12\int\ln\tan x\,\dd(\ln\tan x)=\dfrac14\ln^2\tan x+C = 2 1 ∫ ln tan x d ( ln tan x ) = 4 1 ln 2 tan x + C 。
被积函数里有 ln tan x \ln\tan x ln tan x ,先求它的导数,发现剩下的 1 sin 2 x \frac1{\sin2x} s i n 2 x 1 正是它的一半。
答案:(1) 1 2 ln ∣ 1 + 2 ln x ∣ + C \frac12\ln|1+2\ln x|+C 2 1 ln ∣1 + 2 ln x ∣ + C ;(2) x − ln ( 1 + e x ) + C x-\ln(1+\e^x)+C x − ln ( 1 + e x ) + C ;(3) arctan ( sin 2 x ) + C \arctan(\sin^2x)+C arctan ( sin 2 x ) + C ;(4) 1 4 ln 2 tan x + C \frac14\ln^2\tan x+C 4 1 ln 2 tan x + C
例 2.4 李林 第五章 §2 例 1(5)、例 4(3),习题 (1) · p115—122
求:(1)
∫ x + 1 x ( 1 + x e x ) d x \int\dfrac{x+1}{x(1+x\e^x)}\dx ∫ x ( 1 + x e x ) x + 1 d x ;(2)
∫ x 2 + 1 x 4 + 1 d x \int\dfrac{x^2+1}{x^4+1}\dx ∫ x 4 + 1 x 2 + 1 d x ;(3)
∫ ( 1 − 1 x 2 ) e x + 1 x d x \int\Big(1-\dfrac1{x^2}\Big)\e^{x+\frac1x}\dx ∫ ( 1 − x 2 1 ) e x + x 1 d x ;(4)
∫ e 3 x + e x e 4 x + 1 d x \int\dfrac{\e^{3x}+\e^x}{\e^{4x}+1}\dx ∫ e 4 x + 1 e 3 x + e x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 上下同乘 e x \e^x e x ,凑 d ( x e x ) \dd(x\e^x) d ( x e x ) 。 ( x e x ) ′ = ( x + 1 ) e x (x\e^x)'=(x+1)\e^x ( x e x ) ′ = ( x + 1 ) e x ,原式 = ∫ ( x + 1 ) e x d x x e x ( 1 + x e x ) = ∫ d u u ( 1 + u ) =\int\dfrac{(x+1)\e^x\dx}{x\e^x(1+x\e^x)}=\int\dfrac{\du}{u(1+u)} = ∫ x e x ( 1 + x e x ) ( x + 1 ) e x d x = ∫ u ( 1 + u ) d u (u = x e x u=x\e^x u = x e x )= ln ∣ u 1 + u ∣ + C = ln ∣ x e x 1 + x e x ∣ + C =\ln\left|\dfrac u{1+u}\right|+C=\ln\left|\dfrac{x\e^x}{1+x\e^x}\right|+C = ln 1 + u u + C = ln 1 + x e x x e x + C 。
分子有 x + 1 x+1 x + 1 、分母有 x x x 和 x e x x\e^x x e x ,想到 x e x x\e^x x e x 的导数 ( x + 1 ) e x (x+1)\e^x ( x + 1 ) e x ,缺一个 e x \e^x e x 就上下同乘。
② (2) 上下同除 x 2 x^2 x 2 。 1 + 1 x 2 x 2 + 1 x 2 \dfrac{1+\frac1{x^2}}{x^2+\frac1{x^2}} x 2 + x 2 1 1 + x 2 1 ,而 d ( x − 1 x ) = ( 1 + 1 x 2 ) d x \dd\Big(x-\dfrac1x\Big)=\Big(1+\dfrac1{x^2}\Big)\dx d ( x − x 1 ) = ( 1 + x 2 1 ) d x ,x 2 + 1 x 2 = ( x − 1 x ) 2 + 2 x^2+\dfrac1{x^2}=\Big(x-\dfrac1x\Big)^2+2 x 2 + x 2 1 = ( x − x 1 ) 2 + 2 。所以原式 = ∫ d u u 2 + 2 = 1 2 arctan x − 1 x 2 + C =\int\dfrac{\du}{u^2+2}=\dfrac1{\sqrt2}\arctan\dfrac{x-\frac1x}{\sqrt2}+C = ∫ u 2 + 2 d u = 2 1 arctan 2 x − x 1 + C 。
分子分母都是“偶次、对称”的多项式,同除 x 2 x^2 x 2 后出现 x ± 1 x x\pm\frac1x x ± x 1 ;分子 1 + 1 x 2 1+\frac1{x^2} 1 + x 2 1 配 x − 1 x x-\frac1x x − x 1 。
③ (3) 指数上的 x + 1 x x+\frac1x x + x 1 。 d ( x + 1 x ) = ( 1 − 1 x 2 ) d x \dd\Big(x+\dfrac1x\Big)=\Big(1-\dfrac1{x^2}\Big)\dx d ( x + x 1 ) = ( 1 − x 2 1 ) d x ,原式 = ∫ e u d u = e x + 1 x + C =\int\e^u\du=\e^{x+\frac1x}+C = ∫ e u d u = e x + x 1 + C 。
指数上是什么,就先求它的导数,看前面的因子是否正好是它。
④ (4) 上下同除 e 2 x \e^{2x} e 2 x 。 e x + e − x e 2 x + e − 2 x \dfrac{\e^x+\e^{-x}}{\e^{2x}+\e^{-2x}} e 2 x + e − 2 x e x + e − x ,而 d ( e x − e − x ) = ( e x + e − x ) d x \dd(\e^x-\e^{-x})=(\e^x+\e^{-x})\dx d ( e x − e − x ) = ( e x + e − x ) d x ,e 2 x + e − 2 x = ( e x − e − x ) 2 + 2 \e^{2x}+\e^{-2x}=(\e^x-\e^{-x})^2+2 e 2 x + e − 2 x = ( e x − e − x ) 2 + 2 。所以原式 = 1 2 arctan e x − e − x 2 + C =\dfrac1{\sqrt2}\arctan\dfrac{\e^x-\e^{-x}}{\sqrt2}+C = 2 1 arctan 2 e x − e − x + C 。
和 (2) 是同一个套路:把 e x \e^x e x 看成 x x x ,同除“中间次数”,分子配出“和”,分母写成“差”的平方加常数。
答案:(1) ln ∣ x e x 1 + x e x ∣ + C \ln\left|\frac{x\e^x}{1+x\e^x}\right|+C ln 1 + x e x x e x + C ;(2) 1 2 arctan x 2 − 1 2 x + C \frac1{\sqrt2}\arctan\frac{x^2-1}{\sqrt2x}+C 2 1 arctan 2 x x 2 − 1 + C ;(3) e x + 1 x + C \e^{x+\frac1x}+C e x + x 1 + C ;(4) 1 2 arctan e x − e − x 2 + C \frac1{\sqrt2}\arctan\frac{\e^x-\e^{-x}}{\sqrt2}+C 2 1 arctan 2 e x − e − x + C
2.2 第二换元法(一):根式代换、指数代换
大白话:凑微分是“看出”一块;第二换元是“硬换”——被积函数里有讨厌的根号 a x + b n \sqrt[n]{ax+b} n a x + b ,就干脆令 t = a x + b n t=\sqrt[n]{ax+b} t = n a x + b ,反解出 x x x 和 d x \dd x d x ,根号就没了 ,剩下的通常是有理函数。e x \e^x e x 套在根号里时同理:令 t t t 等于整个根号。
x y 1 4 y =1/(1+√x )t y 1 2 y =2t /(1+t )面积 = 4 − 2 ln 3 ≈ 1.803 面积 = 4 − 2 ln 3 ≈ 1.803 x =t ²令 x = t 2 x=t^2 x = t 2 (d x = 2 t d t \dd x=2t\dt d x = 2 t d t ):左边 y = 1 1 + x y=\frac1{1+\sqrt x} y = 1 + x 1 在 [ 0 , 4 ] [0,4] [ 0 , 4 ] 下的面积,等于右边 y = 2 t 1 + t y=\frac{2t}{1+t} y = 1 + t 2 t 在 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 下的面积;换元后根号消失。
根式代换表
被积函数含 令 反解
a x + b n \sqrt[n]{ax+b} n a x + b t = a x + b n t=\sqrt[n]{ax+b} t = n a x + b x = t n − b a x=\frac{t^n-b}a x = a t n − b ,d x = n t n − 1 a d t \dd x=\frac{nt^{n-1}}a\dt d x = a n t n − 1 d t
x m \sqrt[m]x m x 与 x n \sqrt[n]x n x 同时出现x = t k x=t^k x = t k ,k k k 取 m , n m,n m , n 的最小公倍数两个根号都变成整数次幂
a x + b c x + d n \sqrt[n]{\dfrac{ax+b}{cx+d}} n c x + d a x + b t = a x + b c x + d n t=\sqrt[n]{\dfrac{ax+b}{cx+d}} t = n c x + d a x + b x = d t n − b a − c t n x=\frac{dt^n-b}{a-ct^n} x = a − c t n d t n − b
e x + a \sqrt{\e^x+a} e x + a 等t = e x + a t=\sqrt{\e^x+a} t = e x + a x = ln ( t 2 − a ) x=\ln(t^2-a) x = ln ( t 2 − a ) ,d x = 2 t t 2 − a d t \dd x=\frac{2t}{t^2-a}\dt d x = t 2 − a 2 t d t
第二换元的通用写法:令 x = ψ ( t ) x=\psi(t) x = ψ ( t ) (单调、可导),∫ f ( x ) d x = ∫ f ( ψ ( t ) ) ψ ′ ( t ) d t \int f(x)\dx=\int f(\psi(t))\psi'(t)\dt ∫ f ( x ) d x = ∫ f ( ψ ( t )) ψ ′ ( t ) d t ,积完再把 t = ψ − 1 ( x ) t=\psi^{-1}(x) t = ψ − 1 ( x ) 代回。
方法卡 · 根式代换
什么时候用
被积函数含
a x + b n \sqrt[n]{ax+b} n a x + b 、
a x + b c x + d n \sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}} n c x + d a x + b 、
e x ± a \sqrt{\e^x\pm a} e x ± a 这类“一次式(或指数)开方”,凑微分又凑不出来。
步骤
令 t = t= t = 整个根式。
反解出 x = ψ ( t ) x=\psi(t) x = ψ ( t ) ,算 d x = ψ ′ ( t ) d t \dd x=\psi'(t)\dt d x = ψ ′ ( t ) d t 。
把被积函数里的 x x x 全部换成 t t t ,化简成有理函数,积分(有理函数的积法见 2.5 节)。
把 t t t 换回 x x x 。
最容易错
只换了根号,忘了换
d x \dd x d x ;最后忘了把
t t t 代回
x x x ;二次式开方
a x 2 + b x + c \sqrt{ax^2+bx+c} a x 2 + b x + c 用这个方法会越换越乱(要用 2.3 节的三角代换)。
例 2.5 李林 第五章 §2 例 2(1) · p116
求
∫ d x x + x 3 \int\dfrac{\dx}{\sqrt x+\sqrt[3]x} ∫ x + 3 x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 两个根号取最小公倍数。 x = x 1 2 \sqrt x=x^{\frac12} x = x 2 1 、x 3 = x 1 3 \sqrt[3]x=x^{\frac13} 3 x = x 3 1 ,2 和 3 的最小公倍数是 6,令 x = t 6 x=t^6 x = t 6 (t > 0 t>0 t > 0 ),d x = 6 t 5 d t \dd x=6t^5\dt d x = 6 t 5 d t ,x = t 3 \sqrt x=t^3 x = t 3 ,x 3 = t 2 \sqrt[3]x=t^2 3 x = t 2 。
这样两个根号同时变成整数次幂。
② 化成有理函数。 原式 = ∫ 6 t 5 t 3 + t 2 d t = 6 ∫ t 3 t + 1 d t = 6 ∫ ( t 2 − t + 1 − 1 t + 1 ) d t =\int\dfrac{6t^5}{t^3+t^2}\dt=6\int\dfrac{t^3}{t+1}\dt=6\int\Big(t^2-t+1-\dfrac1{t+1}\Big)\dt = ∫ t 3 + t 2 6 t 5 d t = 6 ∫ t + 1 t 3 d t = 6 ∫ ( t 2 − t + 1 − t + 1 1 ) d t 。
分子次数高,做多项式除法:t 3 = ( t + 1 ) ( t 2 − t + 1 ) − 1 t^3=(t+1)(t^2-t+1)-1 t 3 = ( t + 1 ) ( t 2 − t + 1 ) − 1 。
③ 积分再代回。 = 2 t 3 − 3 t 2 + 6 t − 6 ln ( 1 + t ) + C = 2 x − 3 x 3 + 6 x 6 − 6 ln ( 1 + x 6 ) + C =2t^3-3t^2+6t-6\ln(1+t)+C=2\sqrt x-3\sqrt[3]x+6\sqrt[6]x-6\ln\big(1+\sqrt[6]x\big)+C = 2 t 3 − 3 t 2 + 6 t − 6 ln ( 1 + t ) + C = 2 x − 3 3 x + 6 6 x − 6 ln ( 1 + 6 x ) + C 。
换回原变量:t = x 6 t=\sqrt[6]x t = 6 x ,所以 t 3 = x 3 6 = x t^3=x^{\frac36}=\sqrt x t 3 = x 6 3 = x ,t 2 = x 2 6 = x 3 t^2=x^{\frac26}=\sqrt[3]x t 2 = x 6 2 = 3 x 。
答案:2 x − 3 x 3 + 6 x 6 − 6 ln ( 1 + x 6 ) + C 2\sqrt x-3\sqrt[3]x+6\sqrt[6]x-6\ln(1+\sqrt[6]x)+C 2 x − 3 3 x + 6 6 x − 6 ln ( 1 + 6 x ) + C
例 2.6 李林 第五章 §2 例 2(2) · p116
求
∫ 1 x 1 + x x d x \int\dfrac1x\sqrt{\dfrac{1+x}x}\dx ∫ x 1 x 1 + x d x (
x > 0 x>0 x > 0 )。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 令 t t t 等于整个根式。 t = 1 + x x t=\sqrt{\dfrac{1+x}x} t = x 1 + x ,t 2 = 1 + 1 x t^2=1+\dfrac1x t 2 = 1 + x 1 ,x = 1 t 2 − 1 x=\dfrac1{t^2-1} x = t 2 − 1 1 ,d x = − 2 t ( t 2 − 1 ) 2 d t \dd x=-\dfrac{2t}{(t^2-1)^2}\dt d x = − ( t 2 − 1 ) 2 2 t d t 。
根号里是两个一次式之比,按表第 3 行处理。
② 代入化简。 原式 = ∫ ( t 2 − 1 ) ⋅ t ⋅ ( − 2 t ( t 2 − 1 ) 2 ) d t = − 2 ∫ t 2 t 2 − 1 d t = − 2 ∫ ( 1 + 1 t 2 − 1 ) d t =\int(t^2-1)\cdot t\cdot\Big(-\dfrac{2t}{(t^2-1)^2}\Big)\dt=-2\int\dfrac{t^2}{t^2-1}\dt=-2\int\Big(1+\dfrac1{t^2-1}\Big)\dt = ∫ ( t 2 − 1 ) ⋅ t ⋅ ( − ( t 2 − 1 ) 2 2 t ) d t = − 2 ∫ t 2 − 1 t 2 d t = − 2 ∫ ( 1 + t 2 − 1 1 ) d t 。
1 x = t 2 − 1 \frac1x=t^2-1 x 1 = t 2 − 1 ;分子分母同次,加一减一拆出 1。
③ 积分。 = − 2 t − ln ∣ t − 1 t + 1 ∣ + C = − 2 t + ln t + 1 t − 1 + C =-2t-\ln\left|\dfrac{t-1}{t+1}\right|+C=-2t+\ln\dfrac{t+1}{t-1}+C = − 2 t − ln t + 1 t − 1 + C = − 2 t + ln t − 1 t + 1 + C 。
用 2.1 节推出的第 11 条(a = 1 a=1 a = 1 );x > 0 x>0 x > 0 时 t > 1 t>1 t > 1 ,绝对值可以去掉。
④ 代回 x x x 。 ln t + 1 t − 1 = ln ( t + 1 ) 2 t 2 − 1 = 2 ln ( t + 1 ) + ln x \ln\dfrac{t+1}{t-1}=\ln\dfrac{(t+1)^2}{t^2-1}=2\ln(t+1)+\ln x ln t − 1 t + 1 = ln t 2 − 1 ( t + 1 ) 2 = 2 ln ( t + 1 ) + ln x ,所以原式 = − 2 1 + x x + 2 ln ( 1 + x x + 1 ) + ln x + C =-2\sqrt{\dfrac{1+x}x}+2\ln\Big(\sqrt{\dfrac{1+x}x}+1\Big)+\ln x+C = − 2 x 1 + x + 2 ln ( x 1 + x + 1 ) + ln x + C 。
分子分母同乘 t + 1 t+1 t + 1 ,再用 t 2 − 1 = 1 x t^2-1=\frac1x t 2 − 1 = x 1 ;这是李林给的答案形式,两种写法都对。
答案:− 2 1 + x x + 2 ln ( 1 + x x + 1 ) + ln x + C -2\sqrt{\frac{1+x}x}+2\ln\Big(\sqrt{\frac{1+x}x}+1\Big)+\ln x+C − 2 x 1 + x + 2 ln ( x 1 + x + 1 ) + ln x + C
例 2.7 李林 第五章 §2 例 2(4)、习题 (1)(Ⅳ) · p117、p122
求:(1)
∫ d x e x − 1 \int\dfrac{\dx}{\sqrt{\e^x-1}} ∫ e x − 1 d x ;(2)
∫ x 5 1 + x 3 3 d x \int\dfrac{x^5}{\sqrt[3]{1+x^3}}\dx ∫ 3 1 + x 3 x 5 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 令 t = e x − 1 t=\sqrt{\e^x-1} t = e x − 1 。 e x = 1 + t 2 \e^x=1+t^2 e x = 1 + t 2 ,x = ln ( 1 + t 2 ) x=\ln(1+t^2) x = ln ( 1 + t 2 ) ,d x = 2 t 1 + t 2 d t \dd x=\dfrac{2t}{1+t^2}\dt d x = 1 + t 2 2 t d t ,原式 = ∫ 1 t ⋅ 2 t 1 + t 2 d t = 2 arctan t + C = 2 arctan e x − 1 + C =\int\dfrac1t\cdot\dfrac{2t}{1+t^2}\dt=2\arctan t+C=2\arctan\sqrt{\e^x-1}+C = ∫ t 1 ⋅ 1 + t 2 2 t d t = 2 arctan t + C = 2 arctan e x − 1 + C 。
e x \e^x e x 在根号里,凑不出 d ( e x ) \dd(\e^x) d ( e x ) ,就把整个根号换掉。
② (2) 令 t = 1 + x 3 3 t=\sqrt[3]{1+x^3} t = 3 1 + x 3 。 x 3 = t 3 − 1 x^3=t^3-1 x 3 = t 3 − 1 ,3 x 2 d x = 3 t 2 d t 3x^2\dx=3t^2\dt 3 x 2 d x = 3 t 2 d t ,即 x 2 d x = t 2 d t x^2\dx=t^2\dt x 2 d x = t 2 d t 。x 5 d x = x 3 ⋅ x 2 d x = ( t 3 − 1 ) t 2 d t x^5\dx=x^3\cdot x^2\dx=(t^3-1)t^2\dt x 5 d x = x 3 ⋅ x 2 d x = ( t 3 − 1 ) t 2 d t 。
x 5 x^5 x 5 拆成 x 3 ⋅ x 2 x^3\cdot x^2 x 3 ⋅ x 2 :x 2 d x x^2\dx x 2 d x 配成 d t \dd t d t ,x 3 x^3 x 3 用 t t t 表示。
③ (2) 积分再代回。 原式 = ∫ ( t 3 − 1 ) t 2 t d t = ∫ ( t 4 − t ) d t = t 5 5 − t 2 2 + C = 1 5 ( 1 + x 3 ) 5 3 − 1 2 ( 1 + x 3 ) 2 3 + C =\int\dfrac{(t^3-1)t^2}t\dt=\int(t^4-t)\dt=\dfrac{t^5}5-\dfrac{t^2}2+C=\dfrac15(1+x^3)^{\frac53}-\dfrac12(1+x^3)^{\frac23}+C = ∫ t ( t 3 − 1 ) t 2 d t = ∫ ( t 4 − t ) d t = 5 t 5 − 2 t 2 + C = 5 1 ( 1 + x 3 ) 3 5 − 2 1 ( 1 + x 3 ) 3 2 + C 。
换回原变量:t = ( 1 + x 3 ) 1 3 t=(1+x^3)^{\frac13} t = ( 1 + x 3 ) 3 1 ,它的 5 次方就是 ( 1 + x 3 ) 5 3 (1+x^3)^{\frac53} ( 1 + x 3 ) 3 5 ,平方就是 ( 1 + x 3 ) 2 3 (1+x^3)^{\frac23} ( 1 + x 3 ) 3 2 。
答案:(1) 2 arctan e x − 1 + C 2\arctan\sqrt{\e^x-1}+C 2 arctan e x − 1 + C ;(2) 1 5 ( 1 + x 3 ) 5 3 − 1 2 ( 1 + x 3 ) 2 3 + C \frac15(1+x^3)^{\frac53}-\frac12(1+x^3)^{\frac23}+C 5 1 ( 1 + x 3 ) 3 5 − 2 1 ( 1 + x 3 ) 3 2 + C
2.3 第二换元法(二):三角代换与倒代换
大白话:根号里是二次式时,用三角恒等式把它变成完全平方:a 2 − a 2 sin 2 t = a 2 cos 2 t a^2-a^2\sin^2t=a^2\cos^2t a 2 − a 2 sin 2 t = a 2 cos 2 t ,a 2 + a 2 tan 2 t = a 2 sec 2 t a^2+a^2\tan^2t=a^2\sec^2t a 2 + a 2 tan 2 t = a 2 sec 2 t ,a 2 sec 2 t − a 2 = a 2 tan 2 t a^2\sec^2t-a^2=a^2\tan^2t a 2 sec 2 t − a 2 = a 2 tan 2 t ,根号就开出来了。二次式不标准时先配方。分母次数比分子高很多时,还可以试试倒代换 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 。
u y O t 扇形 a ²t /2 三角形 x (x , √(a ²−x ²)) a −a ∫0 x √( a ²−u ²) du = 扇形 + 三角形 ∫ 0 x a 2 − u 2 d u \int_0^x\sqrt{a^2-u^2}\du ∫ 0 x a 2 − u 2 d u 是半圆下的一块面积 = 扇形 + 三角形。令 u = a sin t u=a\sin t u = a sin t 算出来的正是这两块:a 2 2 t + x 2 a 2 − x 2 \frac{a^2}2t+\frac x2\sqrt{a^2-x^2} 2 a 2 t + 2 x a 2 − x 2 。
三角代换表(回代用 A.3 节的辅助三角形)
根号 令 根号变成 t t t 的范围
a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 x = a sin t x=a\sin t x = a sin t a cos t a\cos t a cos t ∣ t ∣ ≤ π 2 |t|\le\frac\pi2 ∣ t ∣ ≤ 2 π
a 2 + x 2 \sqrt{a^2+x^2} a 2 + x 2 x = a tan t x=a\tan t x = a tan t a sec t a\sec t a sec t ∣ t ∣ < π 2 |t|<\frac\pi2 ∣ t ∣ < 2 π
x 2 − a 2 \sqrt{x^2-a^2} x 2 − a 2 x = a sec t x=a\sec t x = a sec t a tan t a\tan t a tan t (x > a x>a x > a 时)0 < t < π 2 0<t<\frac\pi2 0 < t < 2 π
p x 2 + q x + r \sqrt{px^2+qx+r} p x 2 + q x + r 先配方成上面三种之一,再代换
倒代换:x = 1 t x=\frac1t x = t 1 ,d x = − d t t 2 \dd x=-\frac{\dt}{t^2} d x = − t 2 d t ,适合 1 x k ⋯ \frac1{x^k\sqrt{\cdots}} x k ⋯ 1 这种分母次数高的式子。
方法卡 · 三角代换
什么时候用
被积函数含
a 2 ± x 2 \sqrt{a^2\pm x^2} a 2 ± x 2 、
x 2 − a 2 \sqrt{x^2-a^2} x 2 − a 2 或
二次式 \sqrt{\text{二次式}} 二次式 ,而且凑微分不成(比如分子没有
x x x 来配
d ( x 2 ) \dd(x^2) d ( x 2 ) )。
步骤
二次式先配方,确定是哪一种。
按表代换,写出 d x \dd x d x ,把根号开出来。
对 t t t 积分(常用降幂、∫ sec t d t \int\sec t\dt ∫ sec t d t 等)。
画辅助直角三角形,把 sin t \sin t sin t 、cos t \cos t cos t 、tan t \tan t tan t 换回 x x x ;sin 2 t \sin2t sin 2 t 先拆成 2 sin t cos t 2\sin t\cos t 2 sin t cos t 。
最容易错
能凑微分却去做三角代换:
∫ x a 2 − x 2 d x = − a 2 − x 2 + C \int\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2}}\dx=-\sqrt{a^2-x^2}+C ∫ a 2 − x 2 x d x = − a 2 − x 2 + C 一步就完;回代时开方符号取错(
t t t 的范围决定
cos t \cos t cos t 的正负)。
例 2.8 基础
推出积分表第 12、13 条:(1)
∫ a 2 − x 2 d x \int\sqrt{a^2-x^2}\dx ∫ a 2 − x 2 d x ;(2)
∫ d x x 2 + a 2 \int\dfrac{\dx}{\sqrt{x^2+a^2}} ∫ x 2 + a 2 d x (
a > 0 a>0 a > 0 )。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 令 x = a sin t x=a\sin t x = a sin t 。 d x = a cos t d t \dd x=a\cos t\dt d x = a cos t d t ,a 2 − x 2 = a cos t \sqrt{a^2-x^2}=a\cos t a 2 − x 2 = a cos t (∣ t ∣ ≤ π 2 |t|\le\frac\pi2 ∣ t ∣ ≤ 2 π 时 cos t ≥ 0 \cos t\ge0 cos t ≥ 0 ),原式 = a 2 ∫ cos 2 t d t = a 2 2 ∫ ( 1 + cos 2 t ) d t = a 2 2 ( t + sin 2 t 2 ) + C =a^2\int\cos^2t\dt=\dfrac{a^2}2\int(1+\cos2t)\dt=\dfrac{a^2}2\Big(t+\dfrac{\sin2t}2\Big)+C = a 2 ∫ cos 2 t d t = 2 a 2 ∫ ( 1 + cos 2 t ) d t = 2 a 2 ( t + 2 sin 2 t ) + C 。
开出根号后是 cos 2 t \cos^2t cos 2 t ,用降幂公式。
② (1) 回代。 t = arcsin x a t=\arcsin\dfrac xa t = arcsin a x ,sin 2 t 2 = sin t cos t = x a ⋅ a 2 − x 2 a \dfrac{\sin2t}2=\sin t\cos t=\dfrac xa\cdot\dfrac{\sqrt{a^2-x^2}}a 2 sin 2 t = sin t cos t = a x ⋅ a a 2 − x 2 ,所以原式 = a 2 2 arcsin x a + x 2 a 2 − x 2 + C =\dfrac{a^2}2\arcsin\dfrac xa+\dfrac x2\sqrt{a^2-x^2}+C = 2 a 2 arcsin a x + 2 x a 2 − x 2 + C 。
辅助三角形:对边 x x x 、斜边 a a a 、邻边 a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 。两项正好是图里的扇形和三角形。
③ (2) 令 x = a tan t x=a\tan t x = a tan t 。 d x = a sec 2 t d t \dd x=a\sec^2t\dt d x = a sec 2 t d t ,x 2 + a 2 = a sec t \sqrt{x^2+a^2}=a\sec t x 2 + a 2 = a sec t ,原式 = ∫ sec t d t = ln ∣ sec t + tan t ∣ + C 1 =\int\sec t\dt=\ln|\sec t+\tan t|+C_1 = ∫ sec t d t = ln ∣ sec t + tan t ∣ + C 1 。
1 + tan 2 t = sec 2 t 1+\tan^2t=\sec^2t 1 + tan 2 t = sec 2 t 开出根号;∫ sec t \int\sec t ∫ sec t 在 2.1 节推过。
④ (2) 回代。 tan t = x a \tan t=\dfrac xa tan t = a x ,sec t = x 2 + a 2 a \sec t=\dfrac{\sqrt{x^2+a^2}}a sec t = a x 2 + a 2 ,原式 = ln x + x 2 + a 2 a + C 1 = ln ( x + x 2 + a 2 ) + C =\ln\dfrac{x+\sqrt{x^2+a^2}}a+C_1=\ln\big(x+\sqrt{x^2+a^2}\big)+C = ln a x + x 2 + a 2 + C 1 = ln ( x + x 2 + a 2 ) + C 。
− ln a -\ln a − ln a 是常数,并进 C C C ;x + x 2 + a 2 > 0 x+\sqrt{x^2+a^2}>0 x + x 2 + a 2 > 0 ,绝对值可去。
答案:(1) a 2 2 arcsin x a + x 2 a 2 − x 2 + C \frac{a^2}2\arcsin\frac xa+\frac x2\sqrt{a^2-x^2}+C 2 a 2 arcsin a x + 2 x a 2 − x 2 + C ;(2) ln ( x + x 2 + a 2 ) + C \ln(x+\sqrt{x^2+a^2})+C ln ( x + x 2 + a 2 ) + C
例 2.9 李林 第五章 §2 例 2(3)、习题 (2)(Ⅱ) · p116、p122
求:(1)
∫ d x x 4 − x 2 \int\dfrac{\dx}{x\sqrt{4-x^2}} ∫ x 4 − x 2 d x ;(2)
∫ x 2 4 − x 2 d x \int x^2\sqrt{4-x^2}\dx ∫ x 2 4 − x 2 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 令 x = 2 sin t x=2\sin t x = 2 sin t 。 d x = 2 cos t d t \dd x=2\cos t\dt d x = 2 cos t d t ,x 4 − x 2 = 4 sin t cos t x\sqrt{4-x^2}=4\sin t\cos t x 4 − x 2 = 4 sin t cos t ,原式 = 1 2 ∫ d t sin t = 1 2 ln ∣ csc t − cot t ∣ + C =\dfrac12\int\dfrac{\dt}{\sin t}=\dfrac12\ln|\csc t-\cot t|+C = 2 1 ∫ sin t d t = 2 1 ln ∣ csc t − cot t ∣ + C 。
代换后分母只剩 sin t \sin t sin t ,1 sin t = csc t \frac1{\sin t}=\csc t s i n t 1 = csc t ,它的积分是积分表第 8 条:∫ csc t d t = ln ∣ csc t − cot t ∣ + C \int\csc t\dt=\ln|\csc t-\cot t|+C ∫ csc t d t = ln ∣ csc t − cot t ∣ + C 。
② (1) 回代。 csc t = 2 x \csc t=\dfrac2x csc t = x 2 ,cot t = 4 − x 2 x \cot t=\dfrac{\sqrt{4-x^2}}x cot t = x 4 − x 2 ,原式 = 1 2 ln ∣ 2 − 4 − x 2 x ∣ + C =\dfrac12\ln\left|\dfrac{2-\sqrt{4-x^2}}x\right|+C = 2 1 ln x 2 − 4 − x 2 + C 。
辅助三角形:对边 x x x 、斜边 2、邻边 4 − x 2 \sqrt{4-x^2} 4 − x 2 。
③ (2) 同样令 x = 2 sin t x=2\sin t x = 2 sin t 。 原式 = ∫ 4 sin 2 t ⋅ 2 cos t ⋅ 2 cos t d t = 4 ∫ sin 2 2 t d t = 2 ∫ ( 1 − cos 4 t ) d t = 2 t − 1 2 sin 4 t + C =\int4\sin^2t\cdot2\cos t\cdot2\cos t\dt=4\int\sin^22t\dt=2\int(1-\cos4t)\dt=2t-\dfrac12\sin4t+C = ∫ 4 sin 2 t ⋅ 2 cos t ⋅ 2 cos t d t = 4 ∫ sin 2 2 t d t = 2 ∫ ( 1 − cos 4 t ) d t = 2 t − 2 1 sin 4 t + C 。
把 sin t cos t \sin t\cos t sin t cos t 合成 1 2 sin 2 t \frac12\sin2t 2 1 sin 2 t (倍角公式),所以 16 sin 2 t cos 2 t = 4 sin 2 2 t 16\sin^2t\cos^2t=4\sin^22t 16 sin 2 t cos 2 t = 4 sin 2 2 t ;平方还要再用一次降幂 sin 2 2 t = 1 − cos 4 t 2 \sin^22t=\frac{1-\cos4t}2 sin 2 2 t = 2 1 − c o s 4 t 。
④ (2) 回代。 sin 4 t = 2 sin 2 t cos 2 t = 4 sin t cos t ( 1 − 2 sin 2 t ) = x 4 − x 2 ( 1 − x 2 2 ) \sin4t=2\sin2t\cos2t=4\sin t\cos t(1-2\sin^2t)=x\sqrt{4-x^2}\Big(1-\dfrac{x^2}2\Big) sin 4 t = 2 sin 2 t cos 2 t = 4 sin t cos t ( 1 − 2 sin 2 t ) = x 4 − x 2 ( 1 − 2 x 2 ) ,原式 = 2 arcsin x 2 − x 4 − x 2 2 ( 1 − x 2 2 ) + C =2\arcsin\dfrac x2-\dfrac{x\sqrt{4-x^2}}2\Big(1-\dfrac{x^2}2\Big)+C = 2 arcsin 2 x − 2 x 4 − x 2 ( 1 − 2 x 2 ) + C 。
4 t 4t 4 t 的三角函数要拆到 t t t 的,才能用三角形换回 x x x :sin t = x 2 \sin t=\frac x2 sin t = 2 x ,cos t = 4 − x 2 2 \cos t=\frac{\sqrt{4-x^2}}2 cos t = 2 4 − x 2 。
答案:(1) 1 2 ln ∣ 2 − 4 − x 2 x ∣ + C \frac12\ln\left|\frac{2-\sqrt{4-x^2}}x\right|+C 2 1 ln x 2 − 4 − x 2 + C ;(2) 2 arcsin x 2 − x 4 − x 2 2 ( 1 − x 2 2 ) + C 2\arcsin\frac x2-\frac{x\sqrt{4-x^2}}2\big(1-\frac{x^2}2\big)+C 2 arcsin 2 x − 2 x 4 − x 2 ( 1 − 2 x 2 ) + C
例 2.10 李林 第五章 §2 例 2(5) · p117
求
∫ x − 2 2 x 2 + 4 x + 5 d x \int\dfrac{x-2}{\sqrt{2x^2+4x+5}}\dx ∫ 2 x 2 + 4 x + 5 x − 2 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分子拆成“根号里的导数”+常数。 ( 2 x 2 + 4 x + 5 ) ′ = 4 x + 4 (2x^2+4x+5)'=4x+4 ( 2 x 2 + 4 x + 5 ) ′ = 4 x + 4 ,x − 2 = 1 4 ( 4 x + 4 ) − 3 x-2=\dfrac14(4x+4)-3 x − 2 = 4 1 ( 4 x + 4 ) − 3 。
分子是一次式、分母是二次式开方时,先让分子的一部分配成 d ( 二次式 ) \dd(\text{二次式}) d ( 二次式 ) 。
② 第一部分凑微分。 1 4 ∫ d ( 2 x 2 + 4 x + 5 ) 2 x 2 + 4 x + 5 = 1 2 2 x 2 + 4 x + 5 \dfrac14\int\dfrac{\dd(2x^2+4x+5)}{\sqrt{2x^2+4x+5}}=\dfrac12\sqrt{2x^2+4x+5} 4 1 ∫ 2 x 2 + 4 x + 5 d ( 2 x 2 + 4 x + 5 ) = 2 1 2 x 2 + 4 x + 5 。
把根号里的二次式整体看成 u u u ,就是 ∫ u − 1 2 d u = 2 u 1 2 \int u^{-\frac12}\du=2u^{\frac12} ∫ u − 2 1 d u = 2 u 2 1 ,再乘前面的 1 4 \frac14 4 1 得 1 2 ⋯ \frac12\sqrt{\cdots} 2 1 ⋯ 。
③ 第二部分配方后查表。 2 x 2 + 4 x + 5 = 2 [ ( x + 1 ) 2 + 3 2 ] 2x^2+4x+5=2\Big[(x+1)^2+\dfrac32\Big] 2 x 2 + 4 x + 5 = 2 [ ( x + 1 ) 2 + 2 3 ] ,3 ∫ d x 2 ( x + 1 ) 2 + 3 2 = 3 2 ln [ x + 1 + ( x + 1 ) 2 + 3 2 ] 3\int\dfrac{\dx}{\sqrt2\sqrt{(x+1)^2+\frac32}}=\dfrac3{\sqrt2}\ln\Big[x+1+\sqrt{(x+1)^2+\tfrac32}\Big] 3 ∫ 2 ( x + 1 ) 2 + 2 3 d x = 2 3 ln [ x + 1 + ( x + 1 ) 2 + 2 3 ] 。
配方后是 u 2 + a 2 \sqrt{u^2+a^2} u 2 + a 2 型,用刚推出的第 12 条。
④ 合起来。 原式 = 1 2 2 x 2 + 4 x + 5 − 3 2 2 ln [ 2 ( x + 1 ) + 2 x 2 + 4 x + 5 ] + C =\dfrac12\sqrt{2x^2+4x+5}-\dfrac{3\sqrt2}2\ln\big[\sqrt2(x+1)+\sqrt{2x^2+4x+5}\big]+C = 2 1 2 x 2 + 4 x + 5 − 2 3 2 ln [ 2 ( x + 1 ) + 2 x 2 + 4 x + 5 ] + C 。
ln [ x + 1 + ⋯ ] \ln[x+1+\sqrt{\cdots}] ln [ x + 1 + ⋯ ] 与 ln [ 2 ( x + 1 ) + 2 x 2 + 4 x + 5 ] \ln[\sqrt2(x+1)+\sqrt{2x^2+4x+5}] ln [ 2 ( x + 1 ) + 2 x 2 + 4 x + 5 ] 只差常数 ln 2 \ln\sqrt2 ln 2 ,并进 C C C 。
答案:1 2 2 x 2 + 4 x + 5 − 3 2 2 ln [ 2 ( x + 1 ) + 2 x 2 + 4 x + 5 ] + C \frac12\sqrt{2x^2+4x+5}-\frac{3\sqrt2}2\ln[\sqrt2(x+1)+\sqrt{2x^2+4x+5}]+C 2 1 2 x 2 + 4 x + 5 − 2 3 2 ln [ 2 ( x + 1 ) + 2 x 2 + 4 x + 5 ] + C
例 2.11 李林 第五章 习题 (1)(Ⅰ)(Ⅲ) · p122
求:(1)
∫ d x x 2 1 + x 2 \int\dfrac{\dx}{x^2\sqrt{1+x^2}} ∫ x 2 1 + x 2 d x (
x > 0 x>0 x > 0 );(2)
∫ d x x ( 4 − x ) \int\dfrac{\dx}{\sqrt{x(4-x)}} ∫ x ( 4 − x ) d x ;(3)
∫ d x x ( x + 2 ) \int\dfrac{\dx}{\sqrt{x(x+2)}} ∫ x ( x + 2 ) d x (
x > 0 x>0 x > 0 )。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 倒代换 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 。 d x = − d t t 2 \dd x=-\dfrac{\dt}{t^2} d x = − t 2 d t ,x 2 1 + x 2 = 1 t 2 ⋅ t 2 + 1 t x^2\sqrt{1+x^2}=\dfrac1{t^2}\cdot\dfrac{\sqrt{t^2+1}}t x 2 1 + x 2 = t 2 1 ⋅ t t 2 + 1 ,原式 = − ∫ t d t 1 + t 2 = − 1 + t 2 + C = − 1 + x 2 x + C =-\int\dfrac{t\dt}{\sqrt{1+t^2}}=-\sqrt{1+t^2}+C=-\dfrac{\sqrt{1+x^2}}x+C = − ∫ 1 + t 2 t d t = − 1 + t 2 + C = − x 1 + x 2 + C 。
分母次数(2 + 1 = 3 2+1=3 2 + 1 = 3 )比分子高得多,倒代换后分母次数降下来,变成能凑微分的样子。
② (2) 配方。 x ( 4 − x ) = 4 − ( x − 2 ) 2 x(4-x)=4-(x-2)^2 x ( 4 − x ) = 4 − ( x − 2 ) 2 ,原式 = ∫ d ( x − 2 ) 4 − ( x − 2 ) 2 = arcsin x − 2 2 + C =\int\dfrac{\dd(x-2)}{\sqrt{4-(x-2)^2}}=\arcsin\dfrac{x-2}2+C = ∫ 4 − ( x − 2 ) 2 d ( x − 2 ) = arcsin 2 x − 2 + C 。
配方后是 a 2 − u 2 \sqrt{a^2-u^2} a 2 − u 2 型,直接查表第 10 条。
③ (3) 凑 d x \dd\sqrt x d x 。 d x x = 2 d x \dfrac{\dx}{\sqrt x}=2\dd\sqrt x x d x = 2 d x ,x + 2 = ( x ) 2 + 2 \sqrt{x+2}=\sqrt{(\sqrt x)^2+2} x + 2 = ( x ) 2 + 2 ,原式 = 2 ∫ d x ( x ) 2 + 2 = 2 ln ( x + x + 2 ) + C =2\int\dfrac{\dd\sqrt x}{\sqrt{(\sqrt x)^2+2}}=2\ln\big(\sqrt x+\sqrt{x+2}\big)+C = 2 ∫ ( x ) 2 + 2 d x = 2 ln ( x + x + 2 ) + C 。
也可以配方 x ( x + 2 ) = ( x + 1 ) 2 − 1 x(x+2)=(x+1)^2-1 x ( x + 2 ) = ( x + 1 ) 2 − 1 用第 12 条,得 ln ( x + 1 + x 2 + 2 x ) + C \ln(x+1+\sqrt{x^2+2x})+C ln ( x + 1 + x 2 + 2 x ) + C ,两者只差常数 ln 2 \ln2 ln 2 。
答案:(1) − 1 + x 2 x + C -\frac{\sqrt{1+x^2}}x+C − x 1 + x 2 + C ;(2) arcsin x − 2 2 + C \arcsin\frac{x-2}2+C arcsin 2 x − 2 + C ;(3) 2 ln ( x + x + 2 ) + C 2\ln(\sqrt x+\sqrt{x+2})+C 2 ln ( x + x + 2 ) + C
2.4 分部积分:“反对幂指三”
大白话:被积函数是两种不同类型函数的乘积(比如 x e x x\e^x x e x 、x ln x x\ln x x ln x 、e x sin x \e^x\sin x e x sin x ),凑微分凑不出来时,就用乘积求导公式倒过来:∫ u d v = u v − ∫ v d u \int u\,\dd v=uv-\int v\,\dd u ∫ u d v = uv − ∫ v d u 。诀窍是选谁当 u u u :选求导后变简单的那个。
口诀“反对幂指三 ”:反三角函数、对数函数、幂函数、指数函数、三角函数,排在前面的当 u u u (求导后变成代数式),排在后面的和 d x \dd x d x 合成 d v \dd v d v (积分后不会变复杂)。
u v O ∫ v du ∫ u dv u 1 u 2 v 1 v 2 两块合起来 = u 2 v 2 − u 1 v 1 曲线 v = v ( u ) v=v(u) v = v ( u ) 从 ( u 1 , v 1 ) (u_1,v_1) ( u 1 , v 1 ) 到 ( u 2 , v 2 ) (u_2,v_2) ( u 2 , v 2 ) :绿色面积 ∫ v d u \int v\,\dd u ∫ v d u 加橙色面积 ∫ u d v \int u\,\dd v ∫ u d v 正好是 u 2 v 2 − u 1 v 1 u_2v_2-u_1v_1 u 2 v 2 − u 1 v 1 。这就是分部积分公式的几何意义。
分部积分公式与三种配方(李林 p114)
∫ u d v = u v − ∫ v d u , \displaystyle \int u\,\dd v=uv-\int v\,\dd u, ∫ u d v = uv − ∫ v d u , 即 \displaystyle \text{即} 即 ∫ u v ′ d x = u v − ∫ u ′ v d x . \displaystyle \int uv'\dx=uv-\int u'v\dx. ∫ u v ′ d x = uv − ∫ u ′ v d x .
P n ( x ) e k x P_n(x)\e^{kx} P n ( x ) e k x 、P n ( x ) sin k x P_n(x)\sin kx P n ( x ) sin k x 、P n ( x ) cos k x P_n(x)\cos kx P n ( x ) cos k x (P n P_n P n 是多项式):u = P n ( x ) u=P_n(x) u = P n ( x ) ,每分部一次多项式降一次。
P n ( x ) ln x P_n(x)\ln x P n ( x ) ln x 、P n ( x ) arcsin x P_n(x)\arcsin x P n ( x ) arcsin x 、P n ( x ) arctan x P_n(x)\arctan x P n ( x ) arctan x :u = ln x u=\ln x u = ln x (或反三角),求导后变成代数式。
e k x sin a x \e^{kx}\sin ax e k x sin a x 、e k x cos a x \e^{kx}\cos ax e k x cos a x :u u u 随便选,但两次要选同一类;分部两次后原积分又出现,移项解方程(“循环”)。
表格法(夜雨讲义):P n ( x ) ⋅ g ( x ) P_n(x)\cdot g(x) P n ( x ) ⋅ g ( x ) 时,第一列把 P n P_n P n 一直求导到 0,第二列把 g g g 一直积分,斜着相乘、符号 + , − , + , … +,-,+,\dots + , − , + , … 交替相加。
方法卡 · 分部积分
什么时候用
被积函数是两类函数相乘,或者只有一个
ln x \ln x ln x 、
arcsin x \arcsin x arcsin x 、
arctan x \arctan x arctan x (把
d x \dd x d x 当成
d v \dd v d v )。
步骤
按“反对幂指三”选 u u u ,其余部分凑成 d v \dd v d v 。
写出 u v − ∫ v d u uv-\int v\,\dd u uv − ∫ v d u ,检查新积分是否比原来简单。
还不够简单就再分部一次;原积分重新出现就移项解出来。
求导验算。
最容易错
u u u 选反了:
∫ x e x d x \int x\e^x\dx ∫ x e x d x 若令
u = e x u=\e^x u = e x ,新积分变成
∫ x 2 2 e x d x \int\frac{x^2}2\e^x\dx ∫ 2 x 2 e x d x ,越来越复杂;循环积分第二次换了
u u u 的类型,又绕回原式得到
0 = 0 0=0 0 = 0 。
例 2.12 李林 第五章 §2 例 3(1)(2) · p117
求:(1)
∫ ( x + 1 ) e 3 x d x \int(x+1)\e^{3x}\dx ∫ ( x + 1 ) e 3 x d x ;(2)
∫ ln 2 x x 2 d x \int\dfrac{\ln^2x}{x^2}\dx ∫ x 2 ln 2 x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 多项式当 u u u 。 u = x + 1 u=x+1 u = x + 1 ,d v = e 3 x d x \dd v=\e^{3x}\dx d v = e 3 x d x ,v = 1 3 e 3 x v=\frac13\e^{3x} v = 3 1 e 3 x 。原式 = 1 3 ( x + 1 ) e 3 x − 1 3 ∫ e 3 x d x = 1 3 ( x + 1 ) e 3 x − 1 9 e 3 x + C =\dfrac13(x+1)\e^{3x}-\dfrac13\int\e^{3x}\dx=\dfrac13(x+1)\e^{3x}-\dfrac19\e^{3x}+C = 3 1 ( x + 1 ) e 3 x − 3 1 ∫ e 3 x d x = 3 1 ( x + 1 ) e 3 x − 9 1 e 3 x + C 。
“幂”排在“指”前面,x + 1 x+1 x + 1 求导变成 1,新积分只剩指数函数。
② (2) 对数当 u u u 。 u = ln 2 x u=\ln^2x u = ln 2 x ,d v = d x x 2 \dd v=\dfrac{\dx}{x^2} d v = x 2 d x ,v = − 1 x v=-\dfrac1x v = − x 1 。原式 = − ln 2 x x + ∫ 1 x ⋅ 2 ln x x d x = − ln 2 x x + 2 ∫ ln x x 2 d x =-\dfrac{\ln^2x}x+\int\dfrac1x\cdot\dfrac{2\ln x}x\dx=-\dfrac{\ln^2x}x+2\int\dfrac{\ln x}{x^2}\dx = − x ln 2 x + ∫ x 1 ⋅ x 2 ln x d x = − x ln 2 x + 2 ∫ x 2 ln x d x 。
“对”排在“幂”前面;ln 2 x \ln^2x ln 2 x 求导后次数降一次。
③ (2) 再分部一次。 ∫ ln x x 2 d x = − ln x x + ∫ 1 x 2 d x = − ln x x − 1 x \int\dfrac{\ln x}{x^2}\dx=-\dfrac{\ln x}x+\int\dfrac1{x^2}\dx=-\dfrac{\ln x}x-\dfrac1x ∫ x 2 ln x d x = − x ln x + ∫ x 2 1 d x = − x ln x − x 1 。所以原式 = − 1 x ( ln 2 x + 2 ln x + 2 ) + C =-\dfrac1x\big(\ln^2x+2\ln x+2\big)+C = − x 1 ( ln 2 x + 2 ln x + 2 ) + C 。
每分部一次,ln \ln ln 的次数降一次,降到 0 就能直接积。
答案:(1) 1 3 ( x + 1 ) e 3 x − 1 9 e 3 x + C \frac13(x+1)\e^{3x}-\frac19\e^{3x}+C 3 1 ( x + 1 ) e 3 x − 9 1 e 3 x + C ;(2) − 1 x ( ln 2 x + 2 ln x + 2 ) + C -\frac1x(\ln^2x+2\ln x+2)+C − x 1 ( ln 2 x + 2 ln x + 2 ) + C
例 2.13 李林 第五章 §2 例 3(3)(4) · p117—118
求:(1)
∫ sin ( ln x ) d x \int\sin(\ln x)\dx ∫ sin ( ln x ) d x ;(2)
∫ ( arcsin x ) 2 d x \int(\arcsin x)^2\dx ∫ ( arcsin x ) 2 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 把 d x \dd x d x 当 d v \dd v d v 。 I = ∫ sin ( ln x ) d x = x sin ( ln x ) − ∫ x cos ( ln x ) ⋅ 1 x d x = x sin ( ln x ) − ∫ cos ( ln x ) d x I=\int\sin(\ln x)\dx=x\sin(\ln x)-\int x\cos(\ln x)\cdot\dfrac1x\dx=x\sin(\ln x)-\int\cos(\ln x)\dx I = ∫ sin ( ln x ) d x = x sin ( ln x ) − ∫ x cos ( ln x ) ⋅ x 1 d x = x sin ( ln x ) − ∫ cos ( ln x ) d x 。
只有一个函数时,u u u 就是它自己,v = x v=x v = x 。
② (1) 再分部,出现循环。 ∫ cos ( ln x ) d x = x cos ( ln x ) + ∫ sin ( ln x ) d x = x cos ( ln x ) + I \int\cos(\ln x)\dx=x\cos(\ln x)+\int\sin(\ln x)\dx=x\cos(\ln x)+I ∫ cos ( ln x ) d x = x cos ( ln x ) + ∫ sin ( ln x ) d x = x cos ( ln x ) + I ,所以 I = x sin ( ln x ) − x cos ( ln x ) − I I=x\sin(\ln x)-x\cos(\ln x)-I I = x sin ( ln x ) − x cos ( ln x ) − I 。
原积分 I I I 又出现了,把它当未知数。
③ (1) 解方程。 I = x 2 [ sin ( ln x ) − cos ( ln x ) ] + C I=\dfrac x2\big[\sin(\ln x)-\cos(\ln x)\big]+C I = 2 x [ sin ( ln x ) − cos ( ln x ) ] + C 。
移项得 2 I = ⋯ 2I=\cdots 2 I = ⋯ ;不定积分最后补上 C C C 。
④ (2) 反三角当 u u u ,分部两次。 ∫ ( arcsin x ) 2 d x = x arcsin 2 x − ∫ x ⋅ 2 arcsin x 1 − x 2 d x \int(\arcsin x)^2\dx=x\arcsin^2x-\int x\cdot\dfrac{2\arcsin x}{\sqrt{1-x^2}}\dx ∫ ( arcsin x ) 2 d x = x arcsin 2 x − ∫ x ⋅ 1 − x 2 2 arcsin x d x ,而 x d x 1 − x 2 = − d 1 − x 2 \dfrac{x\dx}{\sqrt{1-x^2}}=-\dd\sqrt{1-x^2} 1 − x 2 x d x = − d 1 − x 2 ,所以第二项 = 2 ∫ arcsin x d 1 − x 2 = 2 1 − x 2 arcsin x − 2 ∫ d x =2\int\arcsin x\,\dd\sqrt{1-x^2}=2\sqrt{1-x^2}\arcsin x-2\int\dx = 2 ∫ arcsin x d 1 − x 2 = 2 1 − x 2 arcsin x − 2 ∫ d x 。
第一次分部后出现 x 1 − x 2 \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} 1 − x 2 x ,它正好是 − 1 − x 2 -\sqrt{1-x^2} − 1 − x 2 的导数,于是第二次分部把 arcsin x \arcsin x arcsin x 消掉。
⑤ (2) 合起来。 原式 = x arcsin 2 x + 2 1 − x 2 arcsin x − 2 x + C =x\arcsin^2x+2\sqrt{1-x^2}\arcsin x-2x+C = x arcsin 2 x + 2 1 − x 2 arcsin x − 2 x + C 。
求导验算:三项的导数相加,交叉项互相抵消,只剩 arcsin 2 x \arcsin^2x arcsin 2 x 。
答案:(1) x 2 [ sin ( ln x ) − cos ( ln x ) ] + C \frac x2[\sin(\ln x)-\cos(\ln x)]+C 2 x [ sin ( ln x ) − cos ( ln x )] + C ;(2) x arcsin 2 x + 2 1 − x 2 arcsin x − 2 x + C x\arcsin^2x+2\sqrt{1-x^2}\arcsin x-2x+C x arcsin 2 x + 2 1 − x 2 arcsin x − 2 x + C
例 2.14 2011 数三(17)
求不定积分
∫ arcsin x + ln x x d x \int\dfrac{\arcsin\sqrt x+\ln x}{\sqrt x}\dx ∫ x arcsin x + ln x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆成两个积分,都有 d x x = 2 d x \frac{\dx}{\sqrt x}=2\dd\sqrt x x d x = 2 d x 。 原式 = 2 ∫ arcsin x d x + 2 ∫ ln x d x =2\int\arcsin\sqrt x\,\dd\sqrt x+2\int\ln x\,\dd\sqrt x = 2 ∫ arcsin x d x + 2 ∫ ln x d x 。
分母的 x \sqrt x x 正好和 d x \dd x d x 凑成 d x \dd\sqrt x d x ,接下来各自分部。
② 第一项:令 t = x t=\sqrt x t = x ,分部。 2 ∫ arcsin t d t = 2 t arcsin t − 2 ∫ t 1 − t 2 d t = 2 t arcsin t + 2 1 − t 2 = 2 x arcsin x + 2 1 − x 2\int\arcsin t\dt=2t\arcsin t-2\int\dfrac{t}{\sqrt{1-t^2}}\dt=2t\arcsin t+2\sqrt{1-t^2}=2\sqrt x\arcsin\sqrt x+2\sqrt{1-x} 2 ∫ arcsin t d t = 2 t arcsin t − 2 ∫ 1 − t 2 t d t = 2 t arcsin t + 2 1 − t 2 = 2 x arcsin x + 2 1 − x 。
反三角当 u u u ;t 1 − t 2 \frac{t}{\sqrt{1-t^2}} 1 − t 2 t 是 − 1 − t 2 -\sqrt{1-t^2} − 1 − t 2 的导数。
③ 第二项:对数当 u u u 。 2 ∫ ln x d x = 2 x ln x − 2 ∫ x ⋅ 1 x d x = 2 x ln x − 4 x 2\int\ln x\,\dd\sqrt x=2\sqrt x\ln x-2\int\sqrt x\cdot\dfrac1x\dx=2\sqrt x\ln x-4\sqrt x 2 ∫ ln x d x = 2 x ln x − 2 ∫ x ⋅ x 1 d x = 2 x ln x − 4 x 。
ln x \ln x ln x 求导变成 1 x \frac1x x 1 ,和 x \sqrt x x 合成 x − 1 2 x^{-\frac12} x − 2 1 ,直接积。
答案:2 x arcsin x + 2 1 − x + 2 x ln x − 4 x + C 2\sqrt x\arcsin\sqrt x+2\sqrt{1-x}+2\sqrt x\ln x-4\sqrt x+C 2 x arcsin x + 2 1 − x + 2 x ln x − 4 x + C
例 2.15 基础 李林 第五章 习题 (7)(Ⅴ) · p122
求:(1)
∫ x 2 cos x d x \int x^2\cos x\dx ∫ x 2 cos x d x (用表格法);(2)
∫ e x sin x d x \int\e^x\sin x\dx ∫ e x sin x d x ;(3)
∫ arctan x d x \int\arctan\sqrt x\dx ∫ arctan x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 列表。 左列 x 2 → 2 x → 2 → 0 x^2\to2x\to2\to0 x 2 → 2 x → 2 → 0 (求导),右列 cos x → sin x → − cos x → − sin x \cos x\to\sin x\to-\cos x\to-\sin x cos x → sin x → − cos x → − sin x (积分)。斜着相乘、符号 + , − , + +,-,+ + , − , + :x 2 sin x − 2 x ( − cos x ) + 2 ( − sin x ) x^2\sin x-2x(-\cos x)+2(-\sin x) x 2 sin x − 2 x ( − cos x ) + 2 ( − sin x ) 。
表格法就是把连续分部积分写成一张表,多项式求导到 0 为止。
② (1) 结果。 ∫ x 2 cos x d x = x 2 sin x + 2 x cos x − 2 sin x + C \int x^2\cos x\dx=x^2\sin x+2x\cos x-2\sin x+C ∫ x 2 cos x d x = x 2 sin x + 2 x cos x − 2 sin x + C 。
用求导验算:对答案逐项求导,± 2 x sin x \pm2x\sin x ± 2 x sin x 和 ± 2 cos x \pm2\cos x ± 2 cos x 两两抵消,只剩 x 2 cos x x^2\cos x x 2 cos x ,正是被积函数,说明答案对。
③ (2) 循环。 I = ∫ sin x d e x = e x sin x − ∫ e x cos x d x = e x sin x − ( e x cos x + ∫ e x sin x d x ) I=\int\sin x\,\dd\e^x=\e^x\sin x-\int\e^x\cos x\dx=\e^x\sin x-\Big(\e^x\cos x+\int\e^x\sin x\dx\Big) I = ∫ sin x d e x = e x sin x − ∫ e x cos x d x = e x sin x − ( e x cos x + ∫ e x sin x d x ) ,即 I = e x ( sin x − cos x ) − I I=\e^x(\sin x-\cos x)-I I = e x ( sin x − cos x ) − I ,I = 1 2 e x ( sin x − cos x ) + C I=\dfrac12\e^x(\sin x-\cos x)+C I = 2 1 e x ( sin x − cos x ) + C 。
两次都让 e x \e^x e x 进 d v \dd v d v (同一类),原积分就会回来。
④ (3) 先换元去根号再分部。 ∫ arctan x d x = x arctan x − ∫ x ⋅ 1 1 + x ⋅ 1 2 x d x = x arctan x − ∫ x 2 ( 1 + x ) d x \int\arctan\sqrt x\dx=x\arctan\sqrt x-\int x\cdot\dfrac1{1+x}\cdot\dfrac1{2\sqrt x}\dx=x\arctan\sqrt x-\int\dfrac{\sqrt x}{2(1+x)}\dx ∫ arctan x d x = x arctan x − ∫ x ⋅ 1 + x 1 ⋅ 2 x 1 d x = x arctan x − ∫ 2 ( 1 + x ) x d x 。令 t = x t=\sqrt x t = x :∫ t ⋅ 2 t 2 ( 1 + t 2 ) d t = t − arctan t \int\dfrac{t\cdot2t}{2(1+t^2)}\dt=t-\arctan t ∫ 2 ( 1 + t 2 ) t ⋅ 2 t d t = t − arctan t 。
只有一个反三角函数,d x \dd x d x 当 d v \dd v d v ;剩下的根式用 2.2 节的代换。
⑤ (3) 结果。 原式 = x arctan x − x + arctan x + C = ( x + 1 ) arctan x − x + C =x\arctan\sqrt x-\sqrt x+\arctan\sqrt x+C=(x+1)\arctan\sqrt x-\sqrt x+C = x arctan x − x + arctan x + C = ( x + 1 ) arctan x − x + C 。
把 t = x t=\sqrt x t = x 代回,合并同类项。
答案:(1) x 2 sin x + 2 x cos x − 2 sin x + C x^2\sin x+2x\cos x-2\sin x+C x 2 sin x + 2 x cos x − 2 sin x + C ;(2) 1 2 e x ( sin x − cos x ) + C \frac12\e^x(\sin x-\cos x)+C 2 1 e x ( sin x − cos x ) + C ;(3) ( x + 1 ) arctan x − x + C (x+1)\arctan\sqrt x-\sqrt x+C ( x + 1 ) arctan x − x + C
例 2.16 基础
设
I n = ∫ sin n x d x I_n=\int\sin^nx\dx I n = ∫ sin n x d x (
n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 )。(1)证明
I n = − 1 n sin n − 1 x cos x + n − 1 n I n − 2 I_n=-\dfrac1n\sin^{n-1}x\cos x+\dfrac{n-1}nI_{n-2} I n = − n 1 sin n − 1 x cos x + n n − 1 I n − 2 ;(2)求
∫ sin 4 x d x \int\sin^4x\dx ∫ sin 4 x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分出一个 sin x \sin x sin x 凑 d v \dd v d v 。 I n = ∫ sin n − 1 x d ( − cos x ) = − sin n − 1 x cos x + ( n − 1 ) ∫ sin n − 2 x cos 2 x d x I_n=\int\sin^{n-1}x\,\dd(-\cos x)=-\sin^{n-1}x\cos x+(n-1)\int\sin^{n-2}x\cos^2x\dx I n = ∫ sin n − 1 x d ( − cos x ) = − sin n − 1 x cos x + ( n − 1 ) ∫ sin n − 2 x cos 2 x d x 。
分部公式 ∫ u d v = u v − ∫ v d u \int u\,\dd v=uv-\int v\,\dd u ∫ u d v = uv − ∫ v d u :u = sin n − 1 x u=\sin^{n-1}x u = sin n − 1 x 用链式法则求导得 ( n − 1 ) sin n − 2 x cos x (n-1)\sin^{n-2}x\cos x ( n − 1 ) sin n − 2 x cos x ,再乘 v = − cos x v=-\cos x v = − cos x ,就出现了 cos 2 x \cos^2x cos 2 x 那一项。
② 把 cos 2 x \cos^2x cos 2 x 换成 1 − sin 2 x 1-\sin^2x 1 − sin 2 x 。 ( n − 1 ) ∫ sin n − 2 x ( 1 − sin 2 x ) d x = ( n − 1 ) ( I n − 2 − I n ) (n-1)\int\sin^{n-2}x(1-\sin^2x)\dx=(n-1)(I_{n-2}-I_n) ( n − 1 ) ∫ sin n − 2 x ( 1 − sin 2 x ) d x = ( n − 1 ) ( I n − 2 − I n ) ,所以 n I n = − sin n − 1 x cos x + ( n − 1 ) I n − 2 nI_n=-\sin^{n-1}x\cos x+(n-1)I_{n-2} n I n = − sin n − 1 x cos x + ( n − 1 ) I n − 2 。
原积分 I n I_n I n 又出现,移项;这就是“递推公式”,每用一次次数降 2。
③ (2) 用两次。 I 4 = − 1 4 sin 3 x cos x + 3 4 I 2 I_4=-\dfrac14\sin^3x\cos x+\dfrac34I_2 I 4 = − 4 1 sin 3 x cos x + 4 3 I 2 ,I 2 = − 1 2 sin x cos x + 1 2 x I_2=-\dfrac12\sin x\cos x+\dfrac12x I 2 = − 2 1 sin x cos x + 2 1 x ,所以 I 4 = − 1 4 sin 3 x cos x − 3 8 sin x cos x + 3 8 x + C I_4=-\dfrac14\sin^3x\cos x-\dfrac38\sin x\cos x+\dfrac38x+C I 4 = − 4 1 sin 3 x cos x − 8 3 sin x cos x + 8 3 x + C 。
I 0 = ∫ d x = x I_0=\int\dx=x I 0 = ∫ d x = x ;到定积分 ∫ 0 π / 2 \int_0^{\pi/2} ∫ 0 π /2 时第一项在两端都是 0,这就是 4.6 节的华里士公式。
答案:(1) 证明题。思路:分出一个 sin x \sin x sin x 凑 d ( − cos x ) \dd(-\cos x) d ( − cos x ) 分部积分,再把 cos 2 x \cos^2x cos 2 x 换成 1 − sin 2 x 1-\sin^2x 1 − sin 2 x ,移项解出 I n I_n I n ;(2) − 1 4 sin 3 x cos x − 3 8 sin x cos x + 3 8 x + C -\frac14\sin^3x\cos x-\frac38\sin x\cos x+\frac38x+C − 4 1 sin 3 x cos x − 8 3 sin x cos x + 8 3 x + C
2.5 有理函数:拆成简单分式再积
大白话:有理函数就是“多项式除以多项式”。它总能积出来:先除法去掉整式部分,再把真分式拆成几个“简单分式”,每个简单分式都是对数或反正切 。拆的办法叫部分分式,按分母因式的样子写待定系数。
x y O 1/(x ²−1) ½·1/(x −1) −½·1/(x +1) −1 1 1 x 2 − 1 \frac1{x^2-1} x 2 − 1 1 (红)拆成 1 2 ⋅ 1 x − 1 \frac12\cdot\frac1{x-1} 2 1 ⋅ x − 1 1 (蓝虚线)与 − 1 2 ⋅ 1 x + 1 -\frac12\cdot\frac1{x+1} − 2 1 ⋅ x + 1 1 (绿虚线)之和,每一点上红 = 蓝 + 绿;两个简单分式各积成一个对数。
部分分式的写法
先保证是真分式(分子次数 < 分母次数),否则先做多项式除法。
分母因式 ( x − a ) k (x-a)^k ( x − a ) k 对应 A 1 x − a + A 2 ( x − a ) 2 + ⋯ + A k ( x − a ) k \dfrac{A_1}{x-a}+\dfrac{A_2}{(x-a)^2}+\cdots+\dfrac{A_k}{(x-a)^k} x − a A 1 + ( x − a ) 2 A 2 + ⋯ + ( x − a ) k A k 。
分母因式 ( x 2 + p x + q ) k (x^2+px+q)^k ( x 2 + p x + q ) k (p 2 < 4 q p^2<4q p 2 < 4 q ,不能再分解)对应 B 1 x + C 1 x 2 + p x + q + ⋯ + B k x + C k ( x 2 + p x + q ) k \dfrac{B_1x+C_1}{x^2+px+q}+\cdots+\dfrac{B_kx+C_k}{(x^2+px+q)^k} x 2 + p x + q B 1 x + C 1 + ⋯ + ( x 2 + p x + q ) k B k x + C k 。
定系数:通分后比较两边系数;或代入特殊的 x x x (如分母的零点)。
四种简单分式的积分:
∫ d x x − a = ln ∣ x − a ∣ + C , \displaystyle \int\frac{\dx}{x-a}=\ln|x-a|+C, ∫ x − a d x = ln ∣ x − a ∣ + C , ∫ d x ( x − a ) k = ( x − a ) 1 − k 1 − k + C ( k ≥ 2 ) , \displaystyle \int\frac{\dx}{(x-a)^k}=\frac{(x-a)^{1-k}}{1-k}+C\ (k\ge2), ∫ ( x − a ) k d x = 1 − k ( x − a ) 1 − k + C ( k ≥ 2 ) ,
∫ B x + C x 2 + p x + q d x = B 2 ln ( x 2 + p x + q ) + ( C − B p 2 ) ∫ d x ( x + p 2 ) 2 + q − p 2 4 . \displaystyle \int\frac{Bx+C}{x^2+px+q}\dx=\frac B2\ln(x^2+px+q)+\Big(C-\frac{Bp}2\Big)\int\frac{\dx}{(x+\frac p2)^2+q-\frac{p^2}4}. ∫ x 2 + p x + q B x + C d x = 2 B ln ( x 2 + p x + q ) + ( C − 2 Bp ) ∫ ( x + 2 p ) 2 + q − 4 p 2 d x .
方法卡 · 有理函数积分
什么时候用
被积函数是两个多项式之比(换元后得到的也算)。
步骤
先看分子是不是分母的导数(的倍数)——是就直接 ln ∣ 分母 ∣ \ln|\text{分母}| ln ∣ 分母 ∣ 。
假分式先除法。
分母因式分解,写部分分式,定系数(先代分母的零点定出一部分)。
一次因式积成 ln \ln ln ,二次因式:分子拆成“分母的导数”+常数,分别积成 ln \ln ln 和 arctan \arctan arctan 。
最容易错
( x − a ) 2 (x-a)^2 ( x − a ) 2 只写了
A ( x − a ) 2 \frac{A}{(x-a)^2} ( x − a ) 2 A ,漏了
A 1 x − a \frac{A_1}{x-a} x − a A 1 ;二次因式的分子只写常数
C C C ,漏了
B x Bx B x 。
例 2.17 李林 第五章 §2 例 4(1)、习题 (2)(Ⅲ) · p118、p122
求:(1)
∫ 2 x + 3 x 2 + 3 x − 10 d x \int\dfrac{2x+3}{x^2+3x-10}\dx ∫ x 2 + 3 x − 10 2 x + 3 d x ;(2)
∫ 2 x + 1 x 2 + 2 x + 5 d x \int\dfrac{2x+1}{x^2+2x+5}\dx ∫ x 2 + 2 x + 5 2 x + 1 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 分子恰是分母的导数。 ( x 2 + 3 x − 10 ) ′ = 2 x + 3 (x^2+3x-10)'=2x+3 ( x 2 + 3 x − 10 ) ′ = 2 x + 3 ,原式 = ln ∣ x 2 + 3 x − 10 ∣ + C =\ln|x^2+3x-10|+C = ln ∣ x 2 + 3 x − 10∣ + C 。
先看分子是不是分母的导数,是就一步到位。拆成 1 x + 5 + 1 x − 2 \frac1{x+5}+\frac1{x-2} x + 5 1 + x − 2 1 也能做,结果 ln ∣ x + 5 ∣ + ln ∣ x − 2 ∣ \ln|x+5|+\ln|x-2| ln ∣ x + 5∣ + ln ∣ x − 2∣ 一样。
② (2) 分子拆成分母的导数加常数。 ( x 2 + 2 x + 5 ) ′ = 2 x + 2 (x^2+2x+5)'=2x+2 ( x 2 + 2 x + 5 ) ′ = 2 x + 2 ,2 x + 1 = ( 2 x + 2 ) − 1 2x+1=(2x+2)-1 2 x + 1 = ( 2 x + 2 ) − 1 。原式 = ∫ d ( x 2 + 2 x + 5 ) x 2 + 2 x + 5 − ∫ d x ( x + 1 ) 2 + 4 =\int\dfrac{\dd(x^2+2x+5)}{x^2+2x+5}-\int\dfrac{\dx}{(x+1)^2+4} = ∫ x 2 + 2 x + 5 d ( x 2 + 2 x + 5 ) − ∫ ( x + 1 ) 2 + 4 d x 。
分母不能分解(判别式 4 − 20 < 0 4-20<0 4 − 20 < 0 ),就用“导数 + 常数”的拆法。
③ (2) 各自积分。 = ln ( x 2 + 2 x + 5 ) − 1 2 arctan x + 1 2 + C =\ln(x^2+2x+5)-\dfrac12\arctan\dfrac{x+1}2+C = ln ( x 2 + 2 x + 5 ) − 2 1 arctan 2 x + 1 + C 。
第二项配方后是 1 u 2 + a 2 \frac1{u^2+a^2} u 2 + a 2 1 ,a = 2 a=2 a = 2 。
答案:(1) ln ∣ x 2 + 3 x − 10 ∣ + C \ln|x^2+3x-10|+C ln ∣ x 2 + 3 x − 10∣ + C ;(2) ln ( x 2 + 2 x + 5 ) − 1 2 arctan x + 1 2 + C \ln(x^2+2x+5)-\frac12\arctan\frac{x+1}2+C ln ( x 2 + 2 x + 5 ) − 2 1 arctan 2 x + 1 + C
例 2.18 李林 第五章 §2 提要 · p114
求
∫ 2 x 2 − x − 1 x 3 + 1 d x \int\dfrac{2x^2-x-1}{x^3+1}\dx ∫ x 3 + 1 2 x 2 − x − 1 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分母分解,写部分分式。 x 3 + 1 = ( x + 1 ) ( x 2 − x + 1 ) x^3+1=(x+1)(x^2-x+1) x 3 + 1 = ( x + 1 ) ( x 2 − x + 1 ) ,设 2 x 2 − x − 1 x 3 + 1 = A x + 1 + B x + D x 2 − x + 1 \dfrac{2x^2-x-1}{x^3+1}=\dfrac A{x+1}+\dfrac{Bx+D}{x^2-x+1} x 3 + 1 2 x 2 − x − 1 = x + 1 A + x 2 − x + 1 B x + D 。
一次因式配常数,二次因式配一次式。
② 定系数。 令 x = − 1 x=-1 x = − 1 :2 + 1 − 1 = A ⋅ 3 2+1-1=A\cdot3 2 + 1 − 1 = A ⋅ 3 ,A = 2 3 A=\dfrac23 A = 3 2 。比较 x 2 x^2 x 2 系数:2 = A + B 2=A+B 2 = A + B ,B = 4 3 B=\dfrac43 B = 3 4 ;比较常数项:− 1 = A + D -1=A+D − 1 = A + D ,D = − 5 3 D=-\dfrac53 D = − 3 5 。
先代分母的零点,一下子定出 A A A ;剩下的比较系数。
③ 二次因式那一项拆开。 4 3 x − 5 3 x 2 − x + 1 = 2 3 ⋅ 2 x − 1 x 2 − x + 1 − 1 ( x − 1 2 ) 2 + 3 4 \dfrac{\frac43x-\frac53}{x^2-x+1}=\dfrac23\cdot\dfrac{2x-1}{x^2-x+1}-\dfrac1{(x-\frac12)^2+\frac34} x 2 − x + 1 3 4 x − 3 5 = 3 2 ⋅ x 2 − x + 1 2 x − 1 − ( x − 2 1 ) 2 + 4 3 1 。
分子凑出 ( x 2 − x + 1 ) ′ = 2 x − 1 (x^2-x+1)'=2x-1 ( x 2 − x + 1 ) ′ = 2 x − 1 的倍数:4 3 x − 5 3 = 2 3 ( 2 x − 1 ) − 1 \frac43x-\frac53=\frac23(2x-1)-1 3 4 x − 3 5 = 3 2 ( 2 x − 1 ) − 1 。
④ 积分。 原式 = 2 3 ln ∣ x + 1 ∣ + 2 3 ln ( x 2 − x + 1 ) − 2 3 arctan 2 x − 1 3 + C =\dfrac23\ln|x+1|+\dfrac23\ln(x^2-x+1)-\dfrac2{\sqrt3}\arctan\dfrac{2x-1}{\sqrt3}+C = 3 2 ln ∣ x + 1∣ + 3 2 ln ( x 2 − x + 1 ) − 3 2 arctan 3 2 x − 1 + C 。
第二项配方后是 1 u 2 + a 2 \frac1{u^2+a^2} u 2 + a 2 1 型(u = x − 1 2 u=x-\frac12 u = x − 2 1 ,a = 3 2 a=\frac{\sqrt3}2 a = 2 3 ),用积分表第 9 条 1 a arctan u a \frac1a\arctan\frac ua a 1 arctan a u ,化简得 2 3 arctan 2 x − 1 3 \frac2{\sqrt3}\arctan\frac{2x-1}{\sqrt3} 3 2 arctan 3 2 x − 1 。
答案:2 3 ln ∣ x + 1 ∣ + 2 3 ln ( x 2 − x + 1 ) − 2 3 arctan 2 x − 1 3 + C \frac23\ln|x+1|+\frac23\ln(x^2-x+1)-\frac2{\sqrt3}\arctan\frac{2x-1}{\sqrt3}+C 3 2 ln ∣ x + 1∣ + 3 2 ln ( x 2 − x + 1 ) − 3 2 arctan 3 2 x − 1 + C
例 2.19 2019 数二(16)
求不定积分
∫ 3 x + 6 ( x − 1 ) 2 ( x 2 + x + 1 ) d x \int\dfrac{3x+6}{(x-1)^2(x^2+x+1)}\dx ∫ ( x − 1 ) 2 ( x 2 + x + 1 ) 3 x + 6 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写部分分式。 3 x + 6 ( x − 1 ) 2 ( x 2 + x + 1 ) = A x − 1 + B ( x − 1 ) 2 + C x + D x 2 + x + 1 \dfrac{3x+6}{(x-1)^2(x^2+x+1)}=\dfrac A{x-1}+\dfrac B{(x-1)^2}+\dfrac{Cx+D}{x^2+x+1} ( x − 1 ) 2 ( x 2 + x + 1 ) 3 x + 6 = x − 1 A + ( x − 1 ) 2 B + x 2 + x + 1 C x + D 。
( x − 1 ) 2 (x-1)^2 ( x − 1 ) 2 要配两项;x 2 + x + 1 x^2+x+1 x 2 + x + 1 判别式小于 0,配一次式。
② 定系数。 两边乘 ( x − 1 ) 2 (x-1)^2 ( x − 1 ) 2 再令 x = 1 x=1 x = 1 :B = 9 3 = 3 B=\dfrac93=3 B = 3 9 = 3 。再把右边通分展开(注意 ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) = x 3 − 1 (x-1)(x^2+x+1)=x^3-1 ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) = x 3 − 1 ),比较两边同次项的系数:x 3 x^3 x 3 :A + C = 0 A+C=0 A + C = 0 ;x 2 x^2 x 2 :B − 2 C + D = 0 B-2C+D=0 B − 2 C + D = 0 ;x x x :B + C − 2 D = 3 B+C-2D=3 B + C − 2 D = 3 ;常数项:− A + B + D = 6 -A+B+D=6 − A + B + D = 6 。把 B = 3 B=3 B = 3 代入:x x x 那一式给出 C = 2 D C=2D C = 2 D ,代进 x 2 x^2 x 2 那一式得 3 − 4 D + D = 0 3-4D+D=0 3 − 4 D + D = 0 ,所以 D = 1 D=1 D = 1 ,C = 2 C=2 C = 2 ,最后由 x 3 x^3 x 3 那一式得 A = − 2 A=-2 A = − 2 。
先用“乘分母、代零点”定出最高次那一项的系数,再比较系数定其余的;最后代 x = 0 x=0 x = 0 检查:左边 6,右边 2 + 3 + 1 = 6 2+3+1=6 2 + 3 + 1 = 6 ✓。
③ 逐项积分。 ∫ − 2 x − 1 d x = − 2 ln ∣ x − 1 ∣ \int\dfrac{-2}{x-1}\dx=-2\ln|x-1| ∫ x − 1 − 2 d x = − 2 ln ∣ x − 1∣ ,∫ 3 ( x − 1 ) 2 d x = − 3 x − 1 \int\dfrac3{(x-1)^2}\dx=-\dfrac3{x-1} ∫ ( x − 1 ) 2 3 d x = − x − 1 3 ,∫ 2 x + 1 x 2 + x + 1 d x = ln ( x 2 + x + 1 ) \int\dfrac{2x+1}{x^2+x+1}\dx=\ln(x^2+x+1) ∫ x 2 + x + 1 2 x + 1 d x = ln ( x 2 + x + 1 ) 。
第三项分子正好是分母的导数,不用再拆出 arctan。
答案:− 2 ln ∣ x − 1 ∣ − 3 x − 1 + ln ( x 2 + x + 1 ) + C -2\ln|x-1|-\frac3{x-1}+\ln(x^2+x+1)+C − 2 ln ∣ x − 1∣ − x − 1 3 + ln ( x 2 + x + 1 ) + C
例 2.20 李林 第五章 §2 例 5、例 6 · p119—120
求:(1)
∫ 2 x 2 + 1 ( x 2 − 1 ) 2 d x \int\dfrac{2x^2+1}{(x^2-1)^2}\dx ∫ ( x 2 − 1 ) 2 2 x 2 + 1 d x ;(2)
∫ x 4 x 3 + 1 d x \int\dfrac{x^4}{x^3+1}\dx ∫ x 3 + 1 x 4 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 部分分式。 ( x 2 − 1 ) 2 = ( x − 1 ) 2 ( x + 1 ) 2 (x^2-1)^2=(x-1)^2(x+1)^2 ( x 2 − 1 ) 2 = ( x − 1 ) 2 ( x + 1 ) 2 ,2 x 2 + 1 ( x 2 − 1 ) 2 = 1 / 4 x − 1 + 3 / 4 ( x − 1 ) 2 − 1 / 4 x + 1 + 3 / 4 ( x + 1 ) 2 \dfrac{2x^2+1}{(x^2-1)^2}=\dfrac{1/4}{x-1}+\dfrac{3/4}{(x-1)^2}-\dfrac{1/4}{x+1}+\dfrac{3/4}{(x+1)^2} ( x 2 − 1 ) 2 2 x 2 + 1 = x − 1 1/4 + ( x − 1 ) 2 3/4 − x + 1 1/4 + ( x + 1 ) 2 3/4 。
两个二重因式,各配两项:设 A x − 1 + B ( x − 1 ) 2 + D x + 1 + E ( x + 1 ) 2 \frac A{x-1}+\frac B{(x-1)^2}+\frac D{x+1}+\frac E{(x+1)^2} x − 1 A + ( x − 1 ) 2 B + x + 1 D + ( x + 1 ) 2 E 。乘 ( x − 1 ) 2 (x-1)^2 ( x − 1 ) 2 代 x = 1 x=1 x = 1 得 B = 3 4 B=\frac34 B = 4 3 ,乘 ( x + 1 ) 2 (x+1)^2 ( x + 1 ) 2 代 x = − 1 x=-1 x = − 1 得 E = 3 4 E=\frac34 E = 4 3 。剩下 A A A 、D D D :比较 x 3 x^3 x 3 的系数得 A + D = 0 A+D=0 A + D = 0 ;再代 x = 0 x=0 x = 0 :1 = − A + 3 4 + D + 3 4 1=-A+\frac34+D+\frac34 1 = − A + 4 3 + D + 4 3 ,即 − A + D = − 1 2 -A+D=-\frac12 − A + D = − 2 1 。解得 A = 1 4 A=\frac14 A = 4 1 ,D = − 1 4 D=-\frac14 D = − 4 1 。
② (1) 积分并合并。 1 4 ln ∣ x − 1 x + 1 ∣ − 3 4 ( 1 x − 1 + 1 x + 1 ) = 1 4 ln ∣ x − 1 x + 1 ∣ − 3 x 2 ( x 2 − 1 ) + C \dfrac14\ln\left|\dfrac{x-1}{x+1}\right|-\dfrac34\Big(\dfrac1{x-1}+\dfrac1{x+1}\Big)=\dfrac14\ln\left|\dfrac{x-1}{x+1}\right|-\dfrac{3x}{2(x^2-1)}+C 4 1 ln x + 1 x − 1 − 4 3 ( x − 1 1 + x + 1 1 ) = 4 1 ln x + 1 x − 1 − 2 ( x 2 − 1 ) 3 x + C 。
两个分式通分合并:1 x − 1 + 1 x + 1 = ( x + 1 ) + ( x − 1 ) x 2 − 1 = 2 x x 2 − 1 \frac1{x-1}+\frac1{x+1}=\frac{(x+1)+(x-1)}{x^2-1}=\frac{2x}{x^2-1} x − 1 1 + x + 1 1 = x 2 − 1 ( x + 1 ) + ( x − 1 ) = x 2 − 1 2 x ,答案更简洁。
③ (2) 先除法。 x 4 = x ( x 3 + 1 ) − x x^4=x(x^3+1)-x x 4 = x ( x 3 + 1 ) − x ,x 4 x 3 + 1 = x − x x 3 + 1 \dfrac{x^4}{x^3+1}=x-\dfrac x{x^3+1} x 3 + 1 x 4 = x − x 3 + 1 x ,而 x x 3 + 1 = − 1 / 3 x + 1 + 1 3 ⋅ x + 1 x 2 − x + 1 \dfrac x{x^3+1}=-\dfrac{1/3}{x+1}+\dfrac13\cdot\dfrac{x+1}{x^2-x+1} x 3 + 1 x = − x + 1 1/3 + 3 1 ⋅ x 2 − x + 1 x + 1 。
假分式先除成“多项式 + 真分式”。
④ (2) 积分。 1 3 ⋅ x + 1 x 2 − x + 1 = 1 6 ⋅ 2 x − 1 x 2 − x + 1 + 1 2 ⋅ 1 ( x − 1 2 ) 2 + 3 4 \dfrac13\cdot\dfrac{x+1}{x^2-x+1}=\dfrac16\cdot\dfrac{2x-1}{x^2-x+1}+\dfrac12\cdot\dfrac1{(x-\frac12)^2+\frac34} 3 1 ⋅ x 2 − x + 1 x + 1 = 6 1 ⋅ x 2 − x + 1 2 x − 1 + 2 1 ⋅ ( x − 2 1 ) 2 + 4 3 1 ,所以原式 = x 2 2 + 1 3 ln ∣ x + 1 ∣ − 1 6 ln ( x 2 − x + 1 ) − 1 3 arctan 2 x − 1 3 + C =\dfrac{x^2}2+\dfrac13\ln|x+1|-\dfrac16\ln(x^2-x+1)-\dfrac1{\sqrt3}\arctan\dfrac{2x-1}{\sqrt3}+C = 2 x 2 + 3 1 ln ∣ x + 1∣ − 6 1 ln ( x 2 − x + 1 ) − 3 1 arctan 3 2 x − 1 + C 。
二次因式的分子照例拆成“导数 + 常数”;注意前面的减号要分配到每一项。
答案:(1) 1 4 ln ∣ x − 1 x + 1 ∣ − 3 x 2 ( x 2 − 1 ) + C \frac14\ln\left|\frac{x-1}{x+1}\right|-\frac{3x}{2(x^2-1)}+C 4 1 ln x + 1 x − 1 − 2 ( x 2 − 1 ) 3 x + C ;(2) x 2 2 + 1 3 ln ∣ x + 1 ∣ − 1 6 ln ( x 2 − x + 1 ) − 1 3 arctan 2 x − 1 3 + C \frac{x^2}2+\frac13\ln|x+1|-\frac16\ln(x^2-x+1)-\frac1{\sqrt3}\arctan\frac{2x-1}{\sqrt3}+C 2 x 2 + 3 1 ln ∣ x + 1∣ − 6 1 ln ( x 2 − x + 1 ) − 3 1 arctan 3 2 x − 1 + C
2.6 三角函数有理式:先看奇偶,最后才用万能代换
大白话:被积函数是 sin x \sin x sin x 、cos x \cos x cos x 做加减乘除得到的(记作 R ( sin x , cos x ) R(\sin x,\cos x) R ( sin x , cos x ) ),一定能积,但方法有快有慢 。先看能不能凑微分:sin x \sin x sin x 是奇次,就拿一个 sin x \sin x sin x 去凑 d cos x \dd\cos x d cos x ;cos x \cos x cos x 是奇次,就凑 d sin x \dd\sin x d sin x ;都是偶次,就降幂或者令 t = tan x t=\tan x t = tan x 。实在不行再用“万能代换” t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x ,它一定能把式子变成有理函数,但算起来繁。
x y O x x /2(0, t ),t =tan(x /2) (cos x , sin x ) sin x =2t /(1+t ²),cos x =(1−t ²)/(1+t ²) 从 ( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 连到单位圆上的点 ( cos x , sin x ) (\cos x,\sin x) ( cos x , sin x ) ,这条线的斜率是 t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x ;用 t t t 表示这个点的坐标就是万能代换公式。
三角有理式的选法(大串讲 L17、夜雨讲义)
特征 做法
R ( − sin x , cos x ) = − R ( sin x , cos x ) R(-\sin x,\cos x)=-R(\sin x,\cos x) R ( − sin x , cos x ) = − R ( sin x , cos x ) (sin \sin sin 奇次)凑 d cos x \dd\cos x d cos x ,令 u = cos x u=\cos x u = cos x
R ( sin x , − cos x ) = − R ( sin x , cos x ) R(\sin x,-\cos x)=-R(\sin x,\cos x) R ( sin x , − cos x ) = − R ( sin x , cos x ) (cos \cos cos 奇次)凑 d sin x \dd\sin x d sin x ,令 u = sin x u=\sin x u = sin x
R ( − sin x , − cos x ) = R ( sin x , cos x ) R(-\sin x,-\cos x)=R(\sin x,\cos x) R ( − sin x , − cos x ) = R ( sin x , cos x ) (同为偶次)令 u = tan x u=\tan x u = tan x ;或 sin m x cos n x \sin^mx\cos^nx sin m x cos n x 型直接降幂
a sin x + b cos x c sin x + d cos x \dfrac{a\sin x+b\cos x}{c\sin x+d\cos x} c sin x + d cos x a sin x + b cos x 分子 = A ⋅ =A\cdot = A ⋅ 分母 + B ⋅ +B\cdot + B ⋅ 分母的导数
1 1 ± sin x \frac1{1\pm\sin x} 1 ± s i n x 1 、1 1 ± cos x \frac1{1\pm\cos x} 1 ± c o s x 1 乘共轭 1 ∓ sin x 1\mp\sin x 1 ∓ sin x ,或用倍角公式
其他 万能代换 t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x :sin x = 2 t 1 + t 2 \sin x=\frac{2t}{1+t^2} sin x = 1 + t 2 2 t ,cos x = 1 − t 2 1 + t 2 \cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2} cos x = 1 + t 2 1 − t 2 ,d x = 2 d t 1 + t 2 \dd x=\frac{2\dt}{1+t^2} d x = 1 + t 2 2 d t
方法卡 · 三角有理式
什么时候用
被积函数只含
sin x \sin x sin x 、
cos x \cos x cos x (
tan x \tan x tan x 等也化成它们)的加减乘除。
步骤
先试恒等变形:平方关系、倍角、乘共轭。
看奇偶:把 sin x \sin x sin x 换成 − sin x -\sin x − sin x ,式子变号就凑 d cos x \dd\cos x d cos x ;把 cos x \cos x cos x 换成 − cos x -\cos x − cos x 变号就凑 d sin x \dd\sin x d sin x ;两个同时换不变就令 u = tan x u=\tan x u = tan x 。
分子分母都是 sin , cos \sin,\cos sin , cos 的一次式,用“分子 = A A A ·分母 + B B B ·分母'”。
以上都不行,用万能代换。
最容易错
一上来就用万能代换,得到四次、五次的有理函数,算不下去;降幂时角度忘了翻倍(
cos 2 x = 1 + cos 2 x 2 \cos^2x=\frac{1+\cos2x}2 cos 2 x = 2 1 + c o s 2 x )。
例 2.21 基础
求:(1)
∫ sin 3 x d x \int\sin^3x\dx ∫ sin 3 x d x ;(2)
∫ sin 2 x cos 3 x d x \int\sin^2x\cos^3x\dx ∫ sin 2 x cos 3 x d x ;(3)
∫ cos 4 x d x \int\cos^4x\dx ∫ cos 4 x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) sin \sin sin 是奇次:留一个去凑。 sin 3 x d x = sin 2 x ⋅ sin x d x = − ( 1 − cos 2 x ) d cos x \sin^3x\dx=\sin^2x\cdot\sin x\dx=-(1-\cos^2x)\dd\cos x sin 3 x d x = sin 2 x ⋅ sin x d x = − ( 1 − cos 2 x ) d cos x ,积分得 − cos x + cos 3 x 3 + C -\cos x+\dfrac{\cos^3x}3+C − cos x + 3 cos 3 x + C 。
分出一个 sin x \sin x sin x 和 d x \dd x d x 凑成 − d cos x -\dd\cos x − d cos x ,其余的偶次 sin 2 x \sin^2x sin 2 x 用 1 − cos 2 x 1-\cos^2x 1 − cos 2 x 换成 cos x \cos x cos x 。
② (2) cos \cos cos 是奇次:留一个 cos x \cos x cos x 凑 d sin x \dd\sin x d sin x 。 sin 2 x cos 3 x d x = sin 2 x ( 1 − sin 2 x ) d sin x \sin^2x\cos^3x\dx=\sin^2x(1-\sin^2x)\dd\sin x sin 2 x cos 3 x d x = sin 2 x ( 1 − sin 2 x ) d sin x ,积分得 sin 3 x 3 − sin 5 x 5 + C \dfrac{\sin^3x}3-\dfrac{\sin^5x}5+C 3 sin 3 x − 5 sin 5 x + C 。
谁是奇次就拆谁;把 sin x \sin x sin x 看成 u u u ,是多项式积分。
③ (3) 都是偶次:降幂两次。 cos 4 x = ( 1 + cos 2 x 2 ) 2 = 3 8 + 1 2 cos 2 x + 1 8 cos 4 x \cos^4x=\Big(\dfrac{1+\cos2x}2\Big)^2=\dfrac38+\dfrac12\cos2x+\dfrac18\cos4x cos 4 x = ( 2 1 + cos 2 x ) 2 = 8 3 + 2 1 cos 2 x + 8 1 cos 4 x ,积分得 3 8 x + 1 4 sin 2 x + 1 32 sin 4 x + C \dfrac38x+\dfrac14\sin2x+\dfrac1{32}\sin4x+C 8 3 x + 4 1 sin 2 x + 32 1 sin 4 x + C 。
展开后又出现 cos 2 2 x \cos^22x cos 2 2 x ,再降一次:cos 2 2 x = 1 + cos 4 x 2 \cos^22x=\frac{1+\cos4x}2 cos 2 2 x = 2 1 + c o s 4 x 。
答案:(1) − cos x + cos 3 x 3 + C -\cos x+\frac{\cos^3x}3+C − cos x + 3 c o s 3 x + C ;(2) sin 3 x 3 − sin 5 x 5 + C \frac{\sin^3x}3-\frac{\sin^5x}5+C 3 s i n 3 x − 5 s i n 5 x + C ;(3) 3 8 x + 1 4 sin 2 x + 1 32 sin 4 x + C \frac38x+\frac14\sin2x+\frac1{32}\sin4x+C 8 3 x + 4 1 sin 2 x + 32 1 sin 4 x + C
例 2.22 李林 第五章 §2 例 1(3)、提要 p115、习题 (3)(Ⅰ) · p115—122
求:(1)
∫ d x cos 4 x \int\dfrac{\dx}{\cos^4x} ∫ cos 4 x d x ;(2)
∫ d x 1 + sin x \int\dfrac{\dx}{1+\sin x} ∫ 1 + sin x d x ;(3)
∫ sin x 1 + sin x d x \int\dfrac{\sin x}{1+\sin x}\dx ∫ 1 + sin x sin x d x ;(4)
∫ cos x 2 + sin x d x \int\dfrac{\cos x}{\sqrt{2+\sin x}}\dx ∫ 2 + sin x cos x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 偶次:凑 d tan x \dd\tan x d tan x 。 1 cos 4 x = sec 2 x ⋅ sec 2 x = ( 1 + tan 2 x ) sec 2 x \dfrac1{\cos^4x}=\sec^2x\cdot\sec^2x=(1+\tan^2x)\sec^2x cos 4 x 1 = sec 2 x ⋅ sec 2 x = ( 1 + tan 2 x ) sec 2 x ,原式 = ∫ ( 1 + tan 2 x ) d tan x = tan x + tan 3 x 3 + C =\int(1+\tan^2x)\,\dd\tan x=\tan x+\dfrac{\tan^3x}3+C = ∫ ( 1 + tan 2 x ) d tan x = tan x + 3 tan 3 x + C 。
sin , cos \sin,\cos sin , cos 同时变号式子不变,令 u = tan x u=\tan x u = tan x ;一个 sec 2 x \sec^2x sec 2 x 配 d tan x \dd\tan x d tan x ,另一个用 1 + tan 2 x 1+\tan^2x 1 + tan 2 x 表示。
② (2) 乘共轭。 1 1 + sin x = 1 − sin x 1 − sin 2 x = 1 cos 2 x − sin x cos 2 x \dfrac1{1+\sin x}=\dfrac{1-\sin x}{1-\sin^2x}=\dfrac1{\cos^2x}-\dfrac{\sin x}{\cos^2x} 1 + sin x 1 = 1 − sin 2 x 1 − sin x = cos 2 x 1 − cos 2 x sin x ,积分得 tan x − sec x + C \tan x-\sec x+C tan x − sec x + C 。
∫ sin x cos 2 x d x = − ∫ d cos x cos 2 x = 1 cos x \int\frac{\sin x}{\cos^2x}\dx=-\int\frac{\dd\cos x}{\cos^2x}=\frac1{\cos x} ∫ c o s 2 x s i n x d x = − ∫ c o s 2 x d c o s x = c o s x 1 ,前面有负号所以是 − sec x -\sec x − sec x 。
③ (3) 加一减一,化到 (2)。 sin x 1 + sin x = 1 − 1 1 + sin x \dfrac{\sin x}{1+\sin x}=1-\dfrac1{1+\sin x} 1 + sin x sin x = 1 − 1 + sin x 1 ,原式 = x − tan x + sec x + C =x-\tan x+\sec x+C = x − tan x + sec x + C 。
李林给的答案是 x − tan ( x 2 − π 4 ) + C x-\tan\big(\frac x2-\frac\pi4\big)+C x − tan ( 2 x − 4 π ) + C ;因为 sec x − tan x = 1 − sin x cos x = tan ( π 4 − x 2 ) \sec x-\tan x=\frac{1-\sin x}{\cos x}=\tan\big(\frac\pi4-\frac x2\big) sec x − tan x = c o s x 1 − s i n x = tan ( 4 π − 2 x ) ,两者相同。
④ (4) 凑 d sin x \dd\sin x d sin x 。 原式 = ∫ d ( 2 + sin x ) 2 + sin x = 2 2 + sin x + C =\int\dfrac{\dd(2+\sin x)}{\sqrt{2+\sin x}}=2\sqrt{2+\sin x}+C = ∫ 2 + sin x d ( 2 + sin x ) = 2 2 + sin x + C 。
cos x \cos x cos x 是奇次,直接凑;根号里的整体就是 u u u 。
答案:(1) tan x + tan 3 x 3 + C \tan x+\frac{\tan^3x}3+C tan x + 3 t a n 3 x + C ;(2) tan x − sec x + C \tan x-\sec x+C tan x − sec x + C ;(3) x − tan x + sec x + C x-\tan x+\sec x+C x − tan x + sec x + C ;(4) 2 2 + sin x + C 2\sqrt{2+\sin x}+C 2 2 + sin x + C
例 2.23 李林 第五章 §2 例 4(6)、习题 (3)(Ⅱ) · p119、p122
求:(1)
∫ d x 1 + 2 tan x \int\dfrac{\dx}{1+2\tan x} ∫ 1 + 2 tan x d x ;(2)
∫ 1 − sin x + cos x 1 + sin x − cos x d x \int\dfrac{1-\sin x+\cos x}{1+\sin x-\cos x}\dx ∫ 1 + sin x − cos x 1 − sin x + cos x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 化成 sin , cos \sin,\cos sin , cos 的一次分式。 1 1 + 2 tan x = cos x cos x + 2 sin x \dfrac1{1+2\tan x}=\dfrac{\cos x}{\cos x+2\sin x} 1 + 2 tan x 1 = cos x + 2 sin x cos x 。设 cos x = A ( cos x + 2 sin x ) + B ( cos x + 2 sin x ) ′ = A ( cos x + 2 sin x ) + B ( 2 cos x − sin x ) \cos x=A(\cos x+2\sin x)+B(\cos x+2\sin x)'=A(\cos x+2\sin x)+B(2\cos x-\sin x) cos x = A ( cos x + 2 sin x ) + B ( cos x + 2 sin x ) ′ = A ( cos x + 2 sin x ) + B ( 2 cos x − sin x ) 。
分子写成“分母”与“分母的导数”的组合,前者积成 x x x ,后者积成 ln \ln ln 。
② (1) 解系数、积分。 比较 cos x \cos x cos x :A + 2 B = 1 A+2B=1 A + 2 B = 1 ;sin x \sin x sin x :2 A − B = 0 2A-B=0 2 A − B = 0 。得 A = 1 5 A=\frac15 A = 5 1 ,B = 2 5 B=\frac25 B = 5 2 。原式 = x 5 + 2 5 ln ∣ cos x + 2 sin x ∣ + C =\dfrac x5+\dfrac25\ln|\cos x+2\sin x|+C = 5 x + 5 2 ln ∣ cos x + 2 sin x ∣ + C 。
“分母的导数 ÷ 分母”的原函数是 ln ∣ 分母 ∣ \ln|\text{分母}| ln ∣ 分母 ∣ (凑微分);“分母 ÷ 分母”就是 1,积出来是 x x x 。
③ (2) 用万能代换。 t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x :1 − sin x + cos x = 2 − 2 t 1 + t 2 1-\sin x+\cos x=\dfrac{2-2t}{1+t^2} 1 − sin x + cos x = 1 + t 2 2 − 2 t ,1 + sin x − cos x = 2 t + 2 t 2 1 + t 2 1+\sin x-\cos x=\dfrac{2t+2t^2}{1+t^2} 1 + sin x − cos x = 1 + t 2 2 t + 2 t 2 ,d x = 2 d t 1 + t 2 \dd x=\dfrac{2\dt}{1+t^2} d x = 1 + t 2 2 d t 。原式 = ∫ 2 ( 1 − t ) t ( 1 + t ) ( 1 + t 2 ) d t =\int\dfrac{2(1-t)}{t(1+t)(1+t^2)}\dt = ∫ t ( 1 + t ) ( 1 + t 2 ) 2 ( 1 − t ) d t 。
分子分母都有“1”和 sin , cos \sin,\cos sin , cos 混在一起,奇偶法用不上,只能万能代换。
④ (2) 部分分式。 2 ( 1 − t ) t ( 1 + t ) ( 1 + t 2 ) = 2 t − 2 1 + t − 2 1 + t 2 \dfrac{2(1-t)}{t(1+t)(1+t^2)}=\dfrac2t-\dfrac2{1+t}-\dfrac2{1+t^2} t ( 1 + t ) ( 1 + t 2 ) 2 ( 1 − t ) = t 2 − 1 + t 2 − 1 + t 2 2 ,积分得 2 ln ∣ t ∣ − 2 ln ∣ 1 + t ∣ − 2 arctan t 2\ln|t|-2\ln|1+t|-2\arctan t 2 ln ∣ t ∣ − 2 ln ∣1 + t ∣ − 2 arctan t 。
设 A t + B 1 + t + C t + D 1 + t 2 \frac At+\frac B{1+t}+\frac{Ct+D}{1+t^2} t A + 1 + t B + 1 + t 2 Ct + D 。乘 t t t 代 t = 0 t=0 t = 0 得 A = 2 A=2 A = 2 ;乘 1 + t 1+t 1 + t 代 t = − 1 t=-1 t = − 1 得 B = − 2 B=-2 B = − 2 。通分后比较 t 3 t^3 t 3 的系数:A + B + C = 0 A+B+C=0 A + B + C = 0 ,所以 C = 0 C=0 C = 0 ;比较 t 2 t^2 t 2 的系数:A + C + D = 0 A+C+D=0 A + C + D = 0 ,所以 D = − 2 D=-2 D = − 2 。
⑤ (2) 代回。 2 arctan t = 2 ⋅ x 2 = x 2\arctan t=2\cdot\dfrac x2=x 2 arctan t = 2 ⋅ 2 x = x ,原式 = 2 ln ∣ tan x 2 1 + tan x 2 ∣ − x + C =2\ln\left|\dfrac{\tan\frac x2}{1+\tan\frac x2}\right|-x+C = 2 ln 1 + tan 2 x tan 2 x − x + C 。
万能代换设的是 t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x ,所以在 ( − π , π ) (-\pi,\pi) ( − π , π ) 内 arctan t = x 2 \arctan t=\frac x2 arctan t = 2 x ,2 arctan t 2\arctan t 2 arctan t 就是 x x x 。
答案:(1) x 5 + 2 5 ln ∣ cos x + 2 sin x ∣ + C \frac x5+\frac25\ln|\cos x+2\sin x|+C 5 x + 5 2 ln ∣ cos x + 2 sin x ∣ + C ;(2) 2 ln ∣ tan x 2 1 + tan x 2 ∣ − x + C 2\ln\left|\frac{\tan\frac x2}{1+\tan\frac x2}\right|-x+C 2 ln 1 + t a n 2 x t a n 2 x − x + C
2.7 综合题:先换元再分部、分部消项、抽象函数
大白话:真题里的不定积分往往要两种方法接力:先用换元把根号、复合去掉,再用分部把反三角、对数去掉 。另一类题是“分部消项”:拆成两个积分,各自都积不出来,但对其中一个分部后,产生的新积分正好和另一个抵消。
e2 x arctan √(e x −1) 根号里套着 ex 2t (1+t ²) arctan t 令 t =√(ex −1):根号没了 ½(1+t ²)² arctan t − ½∫(1+t ²)dt 分部:arctan t 当 u ,剩下多项式 2018 数一(15) 的路线:先令 t = e x − 1 t=\sqrt{\e^x-1} t = e x − 1 去根号,再对 arctan t \arctan t arctan t 分部,最后只剩多项式。
三个常见的“接力”
换元 → 分部 :∫ e 2 x arctan e x − 1 d x \int\e^{2x}\arctan\sqrt{\e^x-1}\dx ∫ e 2 x arctan e x − 1 d x 、∫ arcsin x d x \int\arcsin\sqrt x\dx ∫ arcsin x d x —— 先去根号,再分部去掉反三角。
分部消项 :∫ e x [ f ( x ) + f ′ ( x ) ] d x = e x f ( x ) + C \int\e^x\big[f(x)+f'(x)\big]\dx=\e^xf(x)+C ∫ e x [ f ( x ) + f ′ ( x ) ] d x = e x f ( x ) + C ;∫ [ x f ′ ( x ) + f ( x ) ] d x = x f ( x ) + C \int\big[xf'(x)+f(x)\big]\dx=xf(x)+C ∫ [ x f ′ ( x ) + f ( x ) ] d x = x f ( x ) + C 。看到“一个函数加它的导数”再乘 e x \e^x e x ,就是这一类。
抽象函数 :∫ x k f ′ ( x ) d x \int x^kf'(x)\dx ∫ x k f ′ ( x ) d x 、∫ x k f ′ ′ ( x ) d x \int x^kf''(x)\dx ∫ x k f ′′ ( x ) d x —— 分部把导数“转移”走;∫ f − 1 ( x ) d x \int f^{-1}(x)\dx ∫ f − 1 ( x ) d x —— 令 x = f ( t ) x=f(t) x = f ( t ) 。
方法卡 · 综合题的顺序
什么时候用
被积函数同时有根号(或复合)和反三角、对数;或者含抽象函数
f ′ f' f ′ 、
f ′ ′ f'' f ′′ 。
步骤
先去根号(2.2、2.3 节),让式子变成“多项式 × 反三角/对数”或有理函数。
再分部(2.4 节),反三角、对数当 u u u 。
剩下有理函数用 2.5 节。
拆开后两个积分都积不出来时,试着对其中一个分部,看能不能和另一个抵消。
最容易错
先分部却不去根号,
d u \dd u d u 里出现
1 e x − 1 \frac1{\sqrt{\e^x-1}} e x − 1 1 这样的式子,越算越乱(也能做,但要再换元);消项时把两个积不出来的积分硬算。
例 2.24 2018 数一(15)
求不定积分
∫ e 2 x arctan e x − 1 d x \int\e^{2x}\arctan\sqrt{\e^x-1}\dx ∫ e 2 x arctan e x − 1 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 换元去根号。 令 t = e x − 1 t=\sqrt{\e^x-1} t = e x − 1 ,e x = 1 + t 2 \e^x=1+t^2 e x = 1 + t 2 ,d x = 2 t 1 + t 2 d t \dd x=\dfrac{2t}{1+t^2}\dt d x = 1 + t 2 2 t d t ,e 2 x = ( 1 + t 2 ) 2 \e^{2x}=(1+t^2)^2 e 2 x = ( 1 + t 2 ) 2 。原式 = ∫ ( 1 + t 2 ) 2 arctan t ⋅ 2 t 1 + t 2 d t = ∫ 2 t ( 1 + t 2 ) arctan t d t =\int(1+t^2)^2\arctan t\cdot\dfrac{2t}{1+t^2}\dt=\int2t(1+t^2)\arctan t\dt = ∫ ( 1 + t 2 ) 2 arctan t ⋅ 1 + t 2 2 t d t = ∫ 2 t ( 1 + t 2 ) arctan t d t 。
根号里套着 e x \e^x e x ,凑不出微分,按 2.2 节把整个根号换掉。
② 分部,arctan t \arctan t arctan t 当 u u u 。 2 t ( 1 + t 2 ) d t = d ( 1 + t 2 ) 2 2 2t(1+t^2)\dt=\dd\dfrac{(1+t^2)^2}2 2 t ( 1 + t 2 ) d t = d 2 ( 1 + t 2 ) 2 ,原式 = ( 1 + t 2 ) 2 2 arctan t − ∫ ( 1 + t 2 ) 2 2 ⋅ 1 1 + t 2 d t = ( 1 + t 2 ) 2 2 arctan t − 1 2 ( t + t 3 3 ) =\dfrac{(1+t^2)^2}2\arctan t-\int\dfrac{(1+t^2)^2}2\cdot\dfrac1{1+t^2}\dt=\dfrac{(1+t^2)^2}2\arctan t-\dfrac12\Big(t+\dfrac{t^3}3\Big) = 2 ( 1 + t 2 ) 2 arctan t − ∫ 2 ( 1 + t 2 ) 2 ⋅ 1 + t 2 1 d t = 2 ( 1 + t 2 ) 2 arctan t − 2 1 ( t + 3 t 3 ) 。
“反”排第一;arctan t \arctan t arctan t 求导得 1 1 + t 2 \frac1{1+t^2} 1 + t 2 1 ,正好约掉一个 1 + t 2 1+t^2 1 + t 2 。
③ 代回 x x x 。 ( 1 + t 2 ) 2 = e 2 x (1+t^2)^2=\e^{2x} ( 1 + t 2 ) 2 = e 2 x ,1 2 ( t + t 3 3 ) = t 6 ( 3 + t 2 ) = 1 6 ( e x + 2 ) e x − 1 \dfrac12\Big(t+\dfrac{t^3}3\Big)=\dfrac t6(3+t^2)=\dfrac16(\e^x+2)\sqrt{\e^x-1} 2 1 ( t + 3 t 3 ) = 6 t ( 3 + t 2 ) = 6 1 ( e x + 2 ) e x − 1 。
把 t t t 换回 x x x :由 t = e x − 1 t=\sqrt{\e^x-1} t = e x − 1 得 t 2 = e x − 1 t^2=\e^x-1 t 2 = e x − 1 ,于是 3 + t 2 = e x + 2 3+t^2=\e^x+2 3 + t 2 = e x + 2 ,( 1 + t 2 ) 2 = e 2 x (1+t^2)^2=\e^{2x} ( 1 + t 2 ) 2 = e 2 x 。
答案:1 2 e 2 x arctan e x − 1 − 1 6 ( e x + 2 ) e x − 1 + C \frac12\e^{2x}\arctan\sqrt{\e^x-1}-\frac16(\e^x+2)\sqrt{\e^x-1}+C 2 1 e 2 x arctan e x − 1 − 6 1 ( e x + 2 ) e x − 1 + C
例 2.25 2018 数三(10)
∫ e x arcsin 1 − e 2 x d x = \int\e^x\arcsin\sqrt{1-\e^{2x}}\dx= ∫ e x arcsin 1 − e 2 x d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 凑 d e x \dd\e^x d e x ,令 u = e x u=\e^x u = e x 。 原式 = ∫ arcsin 1 − u 2 d u =\int\arcsin\sqrt{1-u^2}\du = ∫ arcsin 1 − u 2 d u ,其中 0 < u < 1 0<u<1 0 < u < 1 (根号里要非负,所以 x < 0 x<0 x < 0 )。
e x d x = d e x \e^x\dx=\dd\e^x e x d x = d e x ,而其余部分只含 e 2 x = u 2 \e^{2x}=u^2 e 2 x = u 2 。
② 化简反三角。 0 < u < 1 0<u<1 0 < u < 1 时,arcsin 1 − u 2 = arccos u \arcsin\sqrt{1-u^2}=\arccos u arcsin 1 − u 2 = arccos u (设 θ = arccos u ∈ ( 0 , π 2 ) \theta=\arccos u\in(0,\frac\pi2) θ = arccos u ∈ ( 0 , 2 π ) ,则 sin θ = 1 − u 2 \sin\theta=\sqrt{1-u^2} sin θ = 1 − u 2 )。
也可以不化简直接分部,但化成 arccos u \arccos u arccos u 后分部更干净。
③ 分部。 ∫ arccos u d u = u arccos u + ∫ u 1 − u 2 d u = u arccos u − 1 − u 2 + C \int\arccos u\du=u\arccos u+\int\dfrac u{\sqrt{1-u^2}}\du=u\arccos u-\sqrt{1-u^2}+C ∫ arccos u d u = u arccos u + ∫ 1 − u 2 u d u = u arccos u − 1 − u 2 + C 。
只有一个反三角函数,d u \dd u d u 当 d v \dd v d v 。
④ 代回。 原式 = e x arcsin 1 − e 2 x − 1 − e 2 x + C =\e^x\arcsin\sqrt{1-\e^{2x}}-\sqrt{1-\e^{2x}}+C = e x arcsin 1 − e 2 x − 1 − e 2 x + C 。
第③步得到的是 u arccos u u\arccos u u arccos u (u = e x u=\e^x u = e x );arccos e x \arccos\e^x arccos e x 和 arcsin 1 − e 2 x \arcsin\sqrt{1-\e^{2x}} arcsin 1 − e 2 x 是同一个角(余弦是 e x \e^x e x ,正弦就是 1 − e 2 x \sqrt{1-\e^{2x}} 1 − e 2 x ),换成题目里用的 arcsin \arcsin arcsin 写法。
答案:e x arcsin 1 − e 2 x − 1 − e 2 x + C \e^x\arcsin\sqrt{1-\e^{2x}}-\sqrt{1-\e^{2x}}+C e x arcsin 1 − e 2 x − 1 − e 2 x + C
例 2.26 李林 第五章 §2 例 4(2)(4)(5) · p118—119
求:(1)
∫ e 2 x ( tan x + 1 ) 2 d x \int\e^{2x}(\tan x+1)^2\dx ∫ e 2 x ( tan x + 1 ) 2 d x ;(2)
∫ x e x ( 1 + x ) 2 d x \int\dfrac{x\e^x}{(1+x)^2}\dx ∫ ( 1 + x ) 2 x e x d x ;(3)
∫ x + sin x 1 + cos x d x \int\dfrac{x+\sin x}{1+\cos x}\dx ∫ 1 + cos x x + sin x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 展开,分成两个积分。 ( tan x + 1 ) 2 = sec 2 x + 2 tan x (\tan x+1)^2=\sec^2x+2\tan x ( tan x + 1 ) 2 = sec 2 x + 2 tan x ,原式 = ∫ e 2 x sec 2 x d x + ∫ 2 e 2 x tan x d x =\int\e^{2x}\sec^2x\dx+\int2\e^{2x}\tan x\dx = ∫ e 2 x sec 2 x d x + ∫ 2 e 2 x tan x d x 。
tan 2 x + 1 = sec 2 x \tan^2x+1=\sec^2x tan 2 x + 1 = sec 2 x ;两个积分单独都积不出来。
② (1) 对第一个分部,消掉第二个。 ∫ e 2 x d tan x = e 2 x tan x − ∫ 2 e 2 x tan x d x \int\e^{2x}\,\dd\tan x=\e^{2x}\tan x-\int2\e^{2x}\tan x\dx ∫ e 2 x d tan x = e 2 x tan x − ∫ 2 e 2 x tan x d x ,与第二个积分抵消,原式 = e 2 x tan x + C =\e^{2x}\tan x+C = e 2 x tan x + C 。
被积函数是 e 2 x [ tan x ⋅ 2 + tan ′ x ] \e^{2x}[\tan x\cdot2+\tan'x] e 2 x [ tan x ⋅ 2 + tan ′ x ] 的样子,正是 ( e 2 x tan x ) ′ (\e^{2x}\tan x)' ( e 2 x tan x ) ′ 。
③ (2) 分子写成 ( x + 1 ) − 1 (x+1)-1 ( x + 1 ) − 1 。 原式 = ∫ e x 1 + x d x − ∫ e x ( 1 + x ) 2 d x =\int\dfrac{\e^x}{1+x}\dx-\int\dfrac{\e^x}{(1+x)^2}\dx = ∫ 1 + x e x d x − ∫ ( 1 + x ) 2 e x d x 。对第二个分部:∫ e x ( 1 + x ) 2 d x = − ∫ e x d ( 1 1 + x ) = − e x 1 + x + ∫ e x 1 + x d x \int\dfrac{\e^x}{(1+x)^2}\dx=-\int\e^x\,\dd\Big(\dfrac1{1+x}\Big)=-\dfrac{\e^x}{1+x}+\int\dfrac{\e^x}{1+x}\dx ∫ ( 1 + x ) 2 e x d x = − ∫ e x d ( 1 + x 1 ) = − 1 + x e x + ∫ 1 + x e x d x 。
1 ( 1 + x ) 2 \frac1{(1+x)^2} ( 1 + x ) 2 1 是 − 1 1 + x -\frac1{1+x} − 1 + x 1 的导数,把它放进 d v \dd v d v 。
④ (2) 消项。 原式 = ∫ e x 1 + x d x + e x 1 + x − ∫ e x 1 + x d x = e x 1 + x + C =\int\dfrac{\e^x}{1+x}\dx+\dfrac{\e^x}{1+x}-\int\dfrac{\e^x}{1+x}\dx=\dfrac{\e^x}{1+x}+C = ∫ 1 + x e x d x + 1 + x e x − ∫ 1 + x e x d x = 1 + x e x + C 。
∫ e x 1 + x d x \int\frac{\e^x}{1+x}\dx ∫ 1 + x e x d x 不是初等函数,但它两次出现、符号相反,抵消了。
⑤ (3) 半角公式后分部消项。 x 1 + cos x = x 2 cos 2 x 2 \dfrac x{1+\cos x}=\dfrac x{2\cos^2\frac x2} 1 + cos x x = 2 cos 2 2 x x ,sin x 1 + cos x = tan x 2 \dfrac{\sin x}{1+\cos x}=\tan\dfrac x2 1 + cos x sin x = tan 2 x 。∫ x d tan x 2 = x tan x 2 − ∫ tan x 2 d x \int x\,\dd\tan\dfrac x2=x\tan\dfrac x2-\int\tan\dfrac x2\dx ∫ x d tan 2 x = x tan 2 x − ∫ tan 2 x d x ,与第二项抵消,原式 = x tan x 2 + C =x\tan\dfrac x2+C = x tan 2 x + C 。
1 + cos x = 2 cos 2 x 2 1+\cos x=2\cos^2\frac x2 1 + cos x = 2 cos 2 2 x ,sin x = 2 sin x 2 cos x 2 \sin x=2\sin\frac x2\cos\frac x2 sin x = 2 sin 2 x cos 2 x ;同样是“一项分部,另一项抵消”。
答案:(1) e 2 x tan x + C \e^{2x}\tan x+C e 2 x tan x + C ;(2) e x 1 + x + C \frac{\e^x}{1+x}+C 1 + x e x + C ;(3) x tan x 2 + C x\tan\frac x2+C x tan 2 x + C
例 2.27 李林 第五章 §2 例 9 · p121
已知
sin x x \dfrac{\sin x}x x sin x 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的一个原函数,求
∫ x 3 f ′ ( x ) d x \int x^3f'(x)\dx ∫ x 3 f ′ ( x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 第一次分部,把 f ′ f' f ′ 转成 f f f 。 ∫ x 3 d f ( x ) = x 3 f ( x ) − 3 ∫ x 2 f ( x ) d x \int x^3\,\dd f(x)=x^3f(x)-3\int x^2f(x)\dx ∫ x 3 d f ( x ) = x 3 f ( x ) − 3 ∫ x 2 f ( x ) d x 。
积分里有抽象的 f ′ f' f ′ ,放进 d v \dd v d v ,分部后变成 f f f 。
② 第二次分部,把 f f f 转成 F F F 。 ∫ x 2 f ( x ) d x = ∫ x 2 d F ( x ) = x 2 F ( x ) − 2 ∫ x F ( x ) d x = x sin x − 2 ∫ sin x d x = x sin x + 2 cos x \int x^2f(x)\dx=\int x^2\,\dd F(x)=x^2F(x)-2\int xF(x)\dx=x\sin x-2\int\sin x\dx=x\sin x+2\cos x ∫ x 2 f ( x ) d x = ∫ x 2 d F ( x ) = x 2 F ( x ) − 2 ∫ x F ( x ) d x = x sin x − 2 ∫ sin x d x = x sin x + 2 cos x 。
F F F 是已知的 sin x x \frac{\sin x}x x s i n x ,乘上 x x x 后变成 sin x \sin x sin x ,分母消失,可以直接积分。
③ 代入 f = F ′ f=F' f = F ′ 。 f ( x ) = x cos x − sin x x 2 f(x)=\dfrac{x\cos x-\sin x}{x^2} f ( x ) = x 2 x cos x − sin x ,x 3 f ( x ) = x 2 cos x − x sin x x^3f(x)=x^2\cos x-x\sin x x 3 f ( x ) = x 2 cos x − x sin x 。原式 = x 2 cos x − x sin x − 3 x sin x − 6 cos x + C =x^2\cos x-x\sin x-3x\sin x-6\cos x+C = x 2 cos x − x sin x − 3 x sin x − 6 cos x + C 。
前两步已经得到:原式 = x 3 f ( x ) − 3 ( x sin x + 2 cos x ) =x^3f(x)-3(x\sin x+2\cos x) = x 3 f ( x ) − 3 ( x sin x + 2 cos x ) 。f f f 是 sin x x \frac{\sin x}x x s i n x 的导数,用商的求导法则算出来,代进 x 3 f x^3f x 3 f 即可。
答案:x 2 cos x − 4 x sin x − 6 cos x + C x^2\cos x-4x\sin x-6\cos x+C x 2 cos x − 4 x sin x − 6 cos x + C
例 2.28 李林 第五章 §2 例 7 · p120
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 严格单调、可导,反函数为
f − 1 ( x ) f^{-1}(x) f − 1 ( x ) ,
∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C \int f(x)\dx=F(x)+C ∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C 。求
∫ f − 1 ( x ) d x \int f^{-1}(x)\dx ∫ f − 1 ( x ) d x ,并用
f ( x ) = e x f(x)=\e^x f ( x ) = e x 检验。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 令 x = f ( t ) x=f(t) x = f ( t ) 。 t = f − 1 ( x ) t=f^{-1}(x) t = f − 1 ( x ) ,d x = f ′ ( t ) d t \dd x=f'(t)\dt d x = f ′ ( t ) d t ,∫ f − 1 ( x ) d x = ∫ t f ′ ( t ) d t = ∫ t d f ( t ) \int f^{-1}(x)\dx=\int t\,f'(t)\dt=\int t\,\dd f(t) ∫ f − 1 ( x ) d x = ∫ t f ′ ( t ) d t = ∫ t d f ( t ) 。
反函数不好直接处理,换元后变成 t t t 乘 f ′ ( t ) f'(t) f ′ ( t ) ,正好分部。
② 分部。 = t f ( t ) − ∫ f ( t ) d t = t f ( t ) − F ( t ) + C = x f − 1 ( x ) − F ( f − 1 ( x ) ) + C =tf(t)-\int f(t)\dt=tf(t)-F(t)+C=xf^{-1}(x)-F\big(f^{-1}(x)\big)+C = t f ( t ) − ∫ f ( t ) d t = t f ( t ) − F ( t ) + C = x f − 1 ( x ) − F ( f − 1 ( x ) ) + C 。
积完得到的是 t t t 的式子,要换回 x x x :因为 x = f ( t ) x=f(t) x = f ( t ) ,所以 t = f − 1 ( x ) t=f^{-1}(x) t = f − 1 ( x ) ,而 f ( t ) f(t) f ( t ) 就是 x x x 。
③ 检验。 f = e x f=\e^x f = e x ,f − 1 = ln x f^{-1}=\ln x f − 1 = ln x ,F = e x F=\e^x F = e x :∫ ln x d x = x ln x − e ln x + C = x ln x − x + C \int\ln x\dx=x\ln x-\e^{\ln x}+C=x\ln x-x+C ∫ ln x d x = x ln x − e l n x + C = x ln x − x + C ,与 A.1 节的结果一致。
用一个具体函数检验抽象公式,是做抽象函数题的好习惯。
答案:∫ f − 1 ( x ) d x = x f − 1 ( x ) − F ( f − 1 ( x ) ) + C \int f^{-1}(x)\dx=xf^{-1}(x)-F\big(f^{-1}(x)\big)+C ∫ f − 1 ( x ) d x = x f − 1 ( x ) − F ( f − 1 ( x ) ) + C
2.8 小结
被积函数的样子 方法 例子
f ( φ ( x ) ) φ ′ ( x ) f(\varphi(x))\varphi'(x) f ( φ ( x )) φ ′ ( x ) :里层的导数就在旁边凑微分 例 2.1 、例 2.3
凑不出来,但同乘同除一个因子后能凑 e x \e^x e x 、x 2 x^2 x 2 、e 2 x \e^{2x} e 2 x 上下同乘同除例 2.4
a x + b n \sqrt[n]{ax+b} n a x + b 、a x + b c x + d \sqrt{\frac{ax+b}{cx+d}} c x + d a x + b 、e x − 1 \sqrt{\e^x-1} e x − 1 令 t = t= t = 整个根号 例 2.5 、例 2.7
a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 、x 2 ± a 2 \sqrt{x^2\pm a^2} x 2 ± a 2 、二次式 \sqrt{\text{二次式}} 二次式 配方,三角代换,辅助三角形回代 例 2.8 、例 2.9
分母次数比分子高很多 倒代换 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 例 2.11
两类函数相乘;单独的 ln x \ln x ln x 、反三角 分部,“反对幂指三” 例 2.12 、例 2.14
e k x sin a x \e^{kx}\sin ax e k x sin a x 、sin ( ln x ) \sin(\ln x) sin ( ln x ) 分部两次,循环解方程 例 2.13 、例 2.15
∫ sin n x d x \int\sin^nx\dx ∫ sin n x d x 这类带 n n n 的分部得递推公式 例 2.16
多项式 ÷ 多项式 除法、部分分式、ln 与 arctan 例 2.19 、例 2.20
sin \sin sin 或 cos \cos cos 奇次留一个去凑 d cos x \dd\cos x d cos x 或 d sin x \dd\sin x d sin x 例 2.21
sin , cos \sin,\cos sin , cos 都是偶次降幂,或令 u = tan x u=\tan x u = tan x 例 2.21 、例 2.22
a sin x + b cos x c sin x + d cos x \frac{a\sin x+b\cos x}{c\sin x+d\cos x} c s i n x + d c o s x a s i n x + b c o s x 分子 = A A A ·分母 + B B B ·分母' 例 2.23
其他三角有理式 万能代换 t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x 例 2.23
根号 + 反三角(或对数) 先换元去根号,再分部 例 2.24 、例 2.25
e x [ f + f ′ ] \e^x[f+f'] e x [ f + f ′ ] 、两项各自积不出分部消项 例 2.26
x k f ′ ( x ) x^kf'(x) x k f ′ ( x ) 、f − 1 ( x ) f^{-1}(x) f − 1 ( x ) 分部转移导数;令 x = f ( t ) x=f(t) x = f ( t ) 例 2.27 、例 2.28
去第 9 部分 这张表按“方法”排;第 9 部分 9.1 节 把同样的内容按“被积函数的形状”重排成一张查表用的总表,还画了一张选方法的流程图,复习时用那一张。
学完了,标记这一部分
第 3 部分
定积分的概念与性质
定积分是一个数:曲线下带符号的面积。这一部分讲定义、几何意义、牛顿—莱布尼茨公式、性质与积分中值定理,以及三类选择题:比较大小、和式极限、平均值与路程。
考试要求(大纲原文,李林讲义第六章第 1、2、8 条)
理解定积分的概念,掌握定积分的性质及定积分中值定理。
掌握牛顿—莱布尼茨公式。
会求平面图形的面积、旋转体的体积和函数的平均值。(面积、体积在第 7 部分,这里只讲平均值。)
对应李林讲义第六章第一节“内容与方法提要”一至四(p128—131),比较大小的题在第三节题型一(p144—148)。这一部分的真题以选择题为主:比大小(2011、2012、2018、2022 各一道)、定积分定义(2017、2021)。
3.1 定积分的定义:切细、求和、取极限
大白话:定积分 ∫ a b f ( x ) d x \int_a^bf(x)\dx ∫ a b f ( x ) d x 就是“曲线 y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上与 x x x 轴之间的(带符号的)面积” 。算法是 0.1 节说过的四步:把 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 切成很多小段,每段上用矩形近似,把矩形面积加起来,让最宽的一段趋于 0 取极限。
x y O y =f (x )a b ξ i Δx i 面积和 Σ f (ξ i )Δ x i 分点可以不等距,每段里的 ξ i \xi_i ξ i 可以随便取;只要最宽的一段趋于 0,矩形面积和都趋于同一个数,这个数就是定积分。
定义与可积条件
∫ a b f ( x ) d x = lim λ → 0 ∑ i = 1 n f ( ξ i ) Δ x i , \displaystyle \int_a^bf(x)\dx=\lim_{\lambda\to0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i)\Delta x_i, ∫ a b f ( x ) d x = λ → 0 lim i = 1 ∑ n f ( ξ i ) Δ x i , λ = max i Δ x i . \displaystyle \lambda=\max_i\Delta x_i. λ = i max Δ x i .
这个极限存在(与怎么分、怎么取 ξ i \xi_i ξ i 都无关)时,称 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上可积 。
充分条件:f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上连续;或有界且只有有限个间断点;或单调。
必要条件:可积 ⇒ \Rightarrow ⇒ 有界。无界函数(如 1 x \frac1x x 1 在 ( 0 , 1 ] (0,1] ( 0 , 1 ] 上)不是通常意义下可积的,那是第 6 部分的反常积分。
定积分是一个数 ,与积分变量用什么字母无关:∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( t ) d t \int_a^bf(x)\dx=\int_a^bf(t)\dt ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( t ) d t 。
方法卡 · 用定义算定积分(理解用,考试很少这样算)
什么时候用
想弄懂定积分为什么是面积,或题目给出“和式的极限”要你认出它是定积分(3.5 节)。
步骤
等分 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] :Δ x = b − a n \Delta x=\frac{b-a}n Δ x = n b − a ,第 k k k 个右端点 x k = a + k b − a n x_k=a+k\frac{b-a}n x k = a + k n b − a 。
写出和 S n = ∑ k = 1 n f ( x k ) Δ x S_n=\sum_{k=1}^nf(x_k)\Delta x S n = ∑ k = 1 n f ( x k ) Δ x ,用求和公式化简。
令 n → ∞ n\to\infty n → ∞ 求极限。
最容易错
把“可积”和“有原函数”混为一谈:有跳跃点的有界函数可积,但没有原函数(1.4 节)。
例 3.1 基础
用定义计算
∫ 0 1 e x d x \int_0^1\e^x\dx ∫ 0 1 e x d x (等分、取右端点)。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出和式。 Δ x = 1 n \Delta x=\dfrac1n Δ x = n 1 ,x k = k n x_k=\dfrac kn x k = n k ,S n = 1 n ∑ k = 1 n e k / n S_n=\dfrac1n\sum\limits_{k=1}^n\e^{k/n} S n = n 1 k = 1 ∑ n e k / n 。
按方法卡:[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 等分 n n n 份,矩形高取右端点的函数值。
② 等比数列求和。 ∑ k = 1 n e k / n = e 1 / n ⋅ 1 − e 1 − e 1 / n \sum\limits_{k=1}^n\e^{k/n}=\e^{1/n}\cdot\dfrac{1-\e}{1-\e^{1/n}} k = 1 ∑ n e k / n = e 1/ n ⋅ 1 − e 1/ n 1 − e ,所以 S n = ( e − 1 ) ⋅ e 1 / n ⋅ 1 / n e 1 / n − 1 S_n=(\e-1)\cdot\e^{1/n}\cdot\dfrac{1/n}{\e^{1/n}-1} S n = ( e − 1 ) ⋅ e 1/ n ⋅ e 1/ n − 1 1/ n 。
公比 q = e 1 / n q=\e^{1/n} q = e 1/ n ,首项 e 1 / n \e^{1/n} e 1/ n ,用 A.5 节的等比求和公式;分子分母同时变号。
③ 取极限。 n → ∞ n\to\infty n → ∞ 时 e 1 / n → 1 \e^{1/n}\to1 e 1/ n → 1 ,e 1 / n − 1 ∼ 1 n \e^{1/n}-1\sim\dfrac1n e 1/ n − 1 ∼ n 1 ,所以 S n → e − 1 S_n\to\e-1 S n → e − 1 。
等价无穷小 e u − 1 ∼ u \e^u-1\sim u e u − 1 ∼ u (《极限》笔记 3.3 节)。结果与牛顿—莱布尼茨公式 e x ∣ 0 1 = e − 1 \e^x\big|_0^1=\e-1 e x 0 1 = e − 1 一致。
答案:e − 1 \e-1 e − 1
例 3.2 李林 第六章 §1 提要 · p128、p130
判断下列函数在
[ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上是否可积、是否有原函数:(1)
sgn x \operatorname{sgn}x sgn x ;(2)
f ( x ) = { 2 x sin 1 x − cos 1 x , x ≠ 0 0 , x = 0 f(x)=\begin{cases}2x\sin\frac1x-\cos\frac1x,&x\ne0\\0,&x=0\end{cases} f ( x ) = { 2 x sin x 1 − cos x 1 , 0 , x = 0 x = 0 ;(3)
g ( x ) = { 1 x , x ≠ 0 0 , x = 0 g(x)=\begin{cases}\frac1x,&x\ne0\\0,&x=0\end{cases} g ( x ) = { x 1 , 0 , x = 0 x = 0 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 有界、一个间断点。 ∣ sgn x ∣ ≤ 1 |\operatorname{sgn}x|\le1 ∣ sgn x ∣ ≤ 1 ,只在 0 处间断,所以可积,∫ − 1 1 sgn x d x = − 1 + 1 = 0 \int_{-1}^1\operatorname{sgn}x\dx=-1+1=0 ∫ − 1 1 sgn x d x = − 1 + 1 = 0 ;但 0 是跳跃间断点,没有原函数(例 1.8 )。
可积看“有界 + 间断点有限”;原函数看“有没有第一类间断点”。两个标准不一样。
② (2) 有界、一个振荡间断点。 ∣ f ( x ) ∣ ≤ 2 ∣ x ∣ + 1 ≤ 3 |f(x)|\le2|x|+1\le3 ∣ f ( x ) ∣ ≤ 2∣ x ∣ + 1 ≤ 3 ,只在 0 处间断,所以可积;它是 x 2 sin 1 x x^2\sin\frac1x x 2 sin x 1 (补定义 0)的导数,所以有原函数(例 1.10 )。
这是“既可积又有原函数,但不连续”的例子。
③ (3) 无界。 x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时 g → + ∞ g\to+\infty g → + ∞ ,g g g 在 [ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上无界,所以不可积(通常意义下)。在 ( 0 , 1 ] (0,1] ( 0 , 1 ] 上它有原函数 ln x \ln x ln x ,但 ∫ 0 1 d x x \int_0^1\frac{\dx}x ∫ 0 1 x d x 要按第 6 部分的反常积分处理,而且发散。
可积的必要条件是有界。
答案:(1) 可积,无原函数;(2) 可积,有原函数;(3) 不可积
3.2 几何意义与牛顿—莱布尼茨公式
大白话:定积分是“带符号的面积”:曲线在 x x x 轴上方的部分算正,下方的部分算负 。真正计算时用牛顿—莱布尼茨公式:找到一个原函数,代上限减代下限。遇到半圆、三角形这类熟悉的图形,直接用几何面积更快。
x y O +2 −2 y =sin x π 2π y = sin x y=\sin x y = sin x 在 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上方的面积 2 算正,在 [ π , 2 π ] [\pi,2\pi] [ π , 2 π ] 下方的面积 2 算负,所以 ∫ 0 2 π sin x d x = 0 \int_0^{2\pi}\sin x\dx=0 ∫ 0 2 π sin x d x = 0 。
牛顿—莱布尼茨公式与几何意义
∫ a b f ( x ) d x = F ( x ) ∣ a b = F ( b ) − F ( a ) , \displaystyle \int_a^bf(x)\dx=F(x)\Big|_a^b=F(b)-F(a), ∫ a b f ( x ) d x = F ( x ) a b = F ( b ) − F ( a ) , F ′ ( x ) = f ( x ) ( f 在 [ a , b ] 上连续 ) . \displaystyle F'(x)=f(x)\ (f\text{ 在 }[a,b]\text{ 上连续}). F ′ ( x ) = f ( x ) ( f 在 [ a , b ] 上连续 ) .
∫ a b ∣ f ( x ) ∣ d x \int_a^b|f(x)|\dx ∫ a b ∣ f ( x ) ∣ d x 才是真正的(不带符号的)面积。
常用几何面积:∫ − a a a 2 − x 2 d x = π a 2 2 \int_{-a}^a\sqrt{a^2-x^2}\dx=\frac{\pi a^2}2 ∫ − a a a 2 − x 2 d x = 2 π a 2 (半圆),∫ 0 a a 2 − x 2 d x = π a 2 4 \int_0^a\sqrt{a^2-x^2}\dx=\frac{\pi a^2}4 ∫ 0 a a 2 − x 2 d x = 4 π a 2 (四分之一圆),∫ 0 2 a 2 a x − x 2 d x = π a 2 2 \int_0^{2a}\sqrt{2ax-x^2}\dx=\frac{\pi a^2}2 ∫ 0 2 a 2 a x − x 2 d x = 2 π a 2 (圆心 ( a , 0 ) (a,0) ( a , 0 ) 的上半圆)。
规定:∫ a a f = 0 \int_a^af=0 ∫ a a f = 0 ,∫ b a f = − ∫ a b f \int_b^af=-\int_a^bf ∫ b a f = − ∫ a b f 。
方法卡 · 看到定积分先想“面积”
什么时候用
被积函数是
a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 、
2 a x − x 2 \sqrt{2ax-x^2} 2 a x − x 2 、
∣ x − c ∣ |x-c| ∣ x − c ∣ 、一次函数,或整体是奇函数。
步骤
画出被积函数的图形。
是圆的一部分、三角形、梯形,就直接用面积公式;在 x x x 轴下方的部分取负号。
对称区间上的奇函数,正负面积抵消,积分为 0(4.3 节细讲)。
都不是,就找原函数用牛顿—莱布尼茨公式。
最容易错
把
∫ a b f d x \int_a^bf\dx ∫ a b f d x 当成面积,忘了
x x x 轴下方的部分是负的;
2 x − x 2 \sqrt{2x-x^2} 2 x − x 2 是半圆,却当成
x 2 \sqrt{x^2} x 2 去算。
例 3.3 基础
计算:(1)
∫ 0 2 2 x − x 2 d x \int_0^2\sqrt{2x-x^2}\dx ∫ 0 2 2 x − x 2 d x ;(2)
∫ − 1 2 ∣ x ∣ d x \int_{-1}^2|x|\dx ∫ − 1 2 ∣ x ∣ d x ;(3)
∫ 0 1 x 2 d x \int_0^1x^2\dx ∫ 0 1 x 2 d x ;(4)
∫ 1 e d x x \int_1^{\e}\dfrac{\dx}x ∫ 1 e x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 认出半圆。 y = 2 x − x 2 y=\sqrt{2x-x^2} y = 2 x − x 2 即 ( x − 1 ) 2 + y 2 = 1 (x-1)^2+y^2=1 ( x − 1 ) 2 + y 2 = 1 ,y ≥ 0 y\ge0 y ≥ 0 :圆心 ( 1 , 0 ) (1,0) ( 1 , 0 ) 、半径 1 的上半圆,x x x 从 0 到 2 正好是整个上半圆,面积 π 2 \dfrac\pi2 2 π 。
配方:2 x − x 2 = 1 − ( x − 1 ) 2 2x-x^2=1-(x-1)^2 2 x − x 2 = 1 − ( x − 1 ) 2 。根号里是“常数减平方”就是圆。
② (2) 两个三角形。 ∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 在 [ − 1 , 0 ] [-1,0] [ − 1 , 0 ] 上围成直角边为 1 的三角形,面积 1 2 \frac12 2 1 ;在 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上直角边为 2,面积 2。合计 5 2 \dfrac52 2 5 。
绝对值函数图形是折线,面积用三角形算最快;也可以拆成 ∫ − 1 0 ( − x ) d x + ∫ 0 2 x d x \int_{-1}^0(-x)\dx+\int_0^2x\dx ∫ − 1 0 ( − x ) d x + ∫ 0 2 x d x 。
③ (3)(4) 牛顿—莱布尼茨。 ∫ 0 1 x 2 d x = x 3 3 ∣ 0 1 = 1 3 \int_0^1x^2\dx=\dfrac{x^3}3\Big|_0^1=\dfrac13 ∫ 0 1 x 2 d x = 3 x 3 0 1 = 3 1 ;∫ 1 e d x x = ln x ∣ 1 e = 1 \int_1^{\e}\dfrac{\dx}x=\ln x\Big|_1^{\e}=1 ∫ 1 e x d x = ln x 1 e = 1 。
先找原函数,再代上下限相减;定积分不写 + C +C + C (相减时抵消了)。
答案:(1) π 2 \frac\pi2 2 π ;(2) 5 2 \frac52 2 5 ;(3) 1 3 \frac13 3 1 ;(4) 1 1 1
例 3.4 2017 数三(9)
∫ − π π ( sin 3 x + π 2 − x 2 ) d x = \int_{-\pi}^{\pi}\big(\sin^3x+\sqrt{\pi^2-x^2}\big)\dx= ∫ − π π ( sin 3 x + π 2 − x 2 ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆成两项。 原式 = ∫ − π π sin 3 x d x + ∫ − π π π 2 − x 2 d x =\int_{-\pi}^\pi\sin^3x\dx+\int_{-\pi}^\pi\sqrt{\pi^2-x^2}\dx = ∫ − π π sin 3 x d x + ∫ − π π π 2 − x 2 d x 。
积分对加法可以拆开(线性)。
② 第一项是奇函数。 sin 3 ( − x ) = − sin 3 x \sin^3(-x)=-\sin^3x sin 3 ( − x ) = − sin 3 x ,对称区间上正负面积抵消,∫ − π π sin 3 x d x = 0 \int_{-\pi}^\pi\sin^3x\dx=0 ∫ − π π sin 3 x d x = 0 。
画图:x x x 轴上下两块面积相等、符号相反。
③ 第二项是半圆。 y = π 2 − x 2 y=\sqrt{\pi^2-x^2} y = π 2 − x 2 是半径 π \pi π 的上半圆,面积 1 2 π ⋅ π 2 = π 3 2 \dfrac12\pi\cdot\pi^2=\dfrac{\pi^3}2 2 1 π ⋅ π 2 = 2 π 3 。
不必做三角代换,直接用圆面积公式。
答案:π 3 2 \frac{\pi^3}2 2 π 3
3.3 定积分的性质与积分中值定理
大白话:定积分的性质都可以用“面积”来理解 :两块面积能加(区间可加);曲线高的面积大(保号性);面积夹在“最矮矩形”和“最高矩形”之间(估值);而且一定有一个高度 f ( ξ ) f(\xi) f ( ξ ) ,使同底矩形的面积恰好等于曲线下的面积(积分中值定理)。
x y O y =f (x )高 f (ξ ) a ξ b 曲线下面积 = 矩形面积 f (ξ )(b −a ) 积分中值定理:曲线下的面积等于一个同底、高为 f ( ξ ) f(\xi) f ( ξ ) 的矩形。f ( ξ ) = 1 b − a ∫ a b f f(\xi)=\frac1{b-a}\int_a^bf f ( ξ ) = b − a 1 ∫ a b f 就是 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上的平均值。
性质(李林 p129—130)
线性:∫ a b [ α f + β g ] = α ∫ a b f + β ∫ a b g \int_a^b[\alpha f+\beta g]=\alpha\int_a^bf+\beta\int_a^bg ∫ a b [ α f + β g ] = α ∫ a b f + β ∫ a b g 。
区间可加:∫ a b f = ∫ a c f + ∫ c b f \int_a^bf=\int_a^cf+\int_c^bf ∫ a b f = ∫ a c f + ∫ c b f (c c c 在不在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 内都成立)。
保号性:在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上 f ≤ g f\le g f ≤ g ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ a b f ≤ ∫ a b g \int_a^bf\le\int_a^bg ∫ a b f ≤ ∫ a b g ;若 f , g f,g f , g 连续且 f ≢ g f\not\equiv g f ≡ g ,则严格小于。特别地 ∣ ∫ a b f ∣ ≤ ∫ a b ∣ f ∣ \left|\int_a^bf\right|\le\int_a^b|f| ∫ a b f ≤ ∫ a b ∣ f ∣ 。
估值:m ≤ f ≤ M m\le f\le M m ≤ f ≤ M ⇒ \Rightarrow ⇒ m ( b − a ) ≤ ∫ a b f ≤ M ( b − a ) m(b-a)\le\int_a^bf\le M(b-a) m ( b − a ) ≤ ∫ a b f ≤ M ( b − a ) 。
积分中值定理:f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上连续 ⇒ \Rightarrow ⇒ 存在 ξ ∈ ( a , b ) \xi\in(a,b) ξ ∈ ( a , b ) ,使 ∫ a b f ( x ) d x = f ( ξ ) ( b − a ) \int_a^bf(x)\dx=f(\xi)(b-a) ∫ a b f ( x ) d x = f ( ξ ) ( b − a ) 。
推广:f , g f,g f , g 连续且 g g g 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上不变号 ⇒ \Rightarrow ⇒ 存在 ξ \xi ξ ,使 ∫ a b f g = f ( ξ ) ∫ a b g \int_a^bf g=f(\xi)\int_a^bg ∫ a b f g = f ( ξ ) ∫ a b g 。
方法卡 · 估计积分的范围、求积分的极限
什么时候用
题目要证明“
A < ∫ a b f < B A<\int_a^bf<B A < ∫ a b f < B ”,或求
lim ∫ a b f n ( x ) d x \lim\int_a^bf_n(x)\dx lim ∫ a b f n ( x ) d x 而积分算不出来。
步骤
求 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上的最大值 M M M 和最小值 m m m (看单调性)。
用估值:m ( b − a ) ≤ ∫ ≤ M ( b − a ) m(b-a)\le\int\le M(b-a) m ( b − a ) ≤ ∫ ≤ M ( b − a ) 。
求极限时,把被积函数放大、缩小成能积的函数,再用夹逼。
最容易错
估值时把
m m m 、
M M M 取成端点值,却没检查
f f f 是否单调;中值定理的
ξ \xi ξ 依赖于积分区间,不能当常数用。
例 3.5 李林 第六章 §1 例 1 · p132
证明:
1 2 < ∫ π / 4 π / 2 sin x x d x < 2 2 \dfrac12<\int_{\pi/4}^{\pi/2}\dfrac{\sin x}x\dx<\dfrac{\sqrt2}2 2 1 < ∫ π /4 π /2 x sin x d x < 2 2 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 看被积函数的单调性。 f ( x ) = sin x x f(x)=\dfrac{\sin x}x f ( x ) = x sin x ,f ′ ( x ) = x cos x − sin x x 2 = cos x ( x − tan x ) x 2 < 0 f'(x)=\dfrac{x\cos x-\sin x}{x^2}=\dfrac{\cos x(x-\tan x)}{x^2}<0 f ′ ( x ) = x 2 x cos x − sin x = x 2 cos x ( x − tan x ) < 0 (0 < x < π 2 0<x<\frac\pi2 0 < x < 2 π 时 x < tan x x<\tan x x < tan x ,cos x > 0 \cos x>0 cos x > 0 ),所以 f f f 单调减少。
估值要最大值、最小值,先判断单调性。
② 求最大、最小值。 M = f ( π 4 ) = 2 / 2 π / 4 = 2 2 π M=f\big(\frac\pi4\big)=\dfrac{\sqrt2/2}{\pi/4}=\dfrac{2\sqrt2}\pi M = f ( 4 π ) = π /4 2 /2 = π 2 2 ,m = f ( π 2 ) = 2 π m=f\big(\frac\pi2\big)=\dfrac2\pi m = f ( 2 π ) = π 2 。
单调减少,左端点最大,右端点最小。
③ 估值。 区间长 π 4 \dfrac\pi4 4 π :2 π ⋅ π 4 < ∫ < 2 2 π ⋅ π 4 \dfrac2\pi\cdot\dfrac\pi4<\int<\dfrac{2\sqrt2}\pi\cdot\dfrac\pi4 π 2 ⋅ 4 π < ∫ < π 2 2 ⋅ 4 π ,即 1 2 < ∫ < 2 2 \dfrac12<\int<\dfrac{\sqrt2}2 2 1 < ∫ < 2 2 。
f f f 连续且不是常数,所以不等号严格。
答案:证明题。思路:sin x x \frac{\sin x}x x s i n x 在区间上单调减少,最大值 2 2 π \frac{2\sqrt2}\pi π 2 2 、最小值 2 π \frac2\pi π 2 ,各乘区间长 π 4 \frac\pi4 4 π 就是两边的界(估值定理)。
例 3.6 基础
求
lim n → ∞ ∫ 0 1 x n 1 + x d x \lim\limits_{n\to\infty}\int_0^1\dfrac{x^n}{1+x}\dx n → ∞ lim ∫ 0 1 1 + x x n d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 积分算不出来,就放缩被积函数。 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上 0 ≤ x n 1 + x ≤ x n 0\le\dfrac{x^n}{1+x}\le x^n 0 ≤ 1 + x x n ≤ x n 。
分母 1 + x ≥ 1 1+x\ge1 1 + x ≥ 1 ,去掉它得到一个能积的上界。
② 积分后夹逼。 0 ≤ ∫ 0 1 x n 1 + x d x ≤ ∫ 0 1 x n d x = 1 n + 1 → 0 0\le\int_0^1\dfrac{x^n}{1+x}\dx\le\int_0^1x^n\dx=\dfrac1{n+1}\to0 0 ≤ ∫ 0 1 1 + x x n d x ≤ ∫ 0 1 x n d x = n + 1 1 → 0 。
保号性把被积函数的不等式变成积分的不等式,再用夹逼准则。
答案:0
例 3.7 2018 数二(4)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上二阶可导,且
∫ 0 1 f ( x ) d x = 0 \int_0^1f(x)\dx=0 ∫ 0 1 f ( x ) d x = 0 ,则( )
(A)当
f ′ ( x ) < 0 f'(x)<0 f ′ ( x ) < 0 时,
f ( 1 2 ) < 0 f\big(\frac12\big)<0 f ( 2 1 ) < 0 (B)当
f ′ ′ ( x ) < 0 f''(x)<0 f ′′ ( x ) < 0 时,
f ( 1 2 ) < 0 f\big(\frac12\big)<0 f ( 2 1 ) < 0 (C)当
f ′ ( x ) > 0 f'(x)>0 f ′ ( x ) > 0 时,
f ( 1 2 ) < 0 f\big(\frac12\big)<0 f ( 2 1 ) < 0 (D)当
f ′ ′ ( x ) > 0 f''(x)>0 f ′′ ( x ) > 0 时,
f ( 1 2 ) < 0 f\big(\frac12\big)<0 f ( 2 1 ) < 0
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 在 x = 1 2 x=\frac12 x = 2 1 处泰勒展开。 f ( x ) = f ( 1 2 ) + f ′ ( 1 2 ) ( x − 1 2 ) + f ′ ′ ( η ) 2 ( x − 1 2 ) 2 f(x)=f\big(\frac12\big)+f'\big(\frac12\big)\big(x-\frac12\big)+\dfrac{f''(\eta)}2\big(x-\frac12\big)^2 f ( x ) = f ( 2 1 ) + f ′ ( 2 1 ) ( x − 2 1 ) + 2 f ′′ ( η ) ( x − 2 1 ) 2 。
题目给的是 ∫ 0 1 f \int_0^1f ∫ 0 1 f 和 f ( 1 2 ) f\big(\frac12\big) f ( 2 1 ) ,展开点选 1 2 \frac12 2 1 才能把两者联系起来。
② 两边在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上积分。 0 = f ( 1 2 ) + 0 + ∫ 0 1 f ′ ′ ( η ) 2 ( x − 1 2 ) 2 d x 0=f\big(\frac12\big)+0+\int_0^1\dfrac{f''(\eta)}2\big(x-\frac12\big)^2\dx 0 = f ( 2 1 ) + 0 + ∫ 0 1 2 f ′′ ( η ) ( x − 2 1 ) 2 d x 。
中点 1 2 \frac12 2 1 左右对称,x − 1 2 x-\frac12 x − 2 1 左边为负、右边为正,积分正好抵消为 0,所以一次项消失,只剩余项。
③ 看(D)。 f ′ ′ > 0 f''>0 f ′′ > 0 时最后一项 > 0 >0 > 0 ,所以 f ( 1 2 ) < 0 f\big(\frac12\big)<0 f ( 2 1 ) < 0 ,(D)正确。
余项积分的符号由 f ′ ′ f'' f ′′ 决定。图上看:凹(向上弯)的曲线平均值为 0,中点处一定在 x x x 轴下方。
④ 反例排除其他选项。 (A)f = 1 2 − x f=\frac12-x f = 2 1 − x :f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ,∫ 0 1 f = 0 \int_0^1f=0 ∫ 0 1 f = 0 ,但 f ( 1 2 ) = 0 f\big(\frac12\big)=0 f ( 2 1 ) = 0 ;(B)f = 1 12 − ( x − 1 2 ) 2 f=\frac1{12}-\big(x-\frac12\big)^2 f = 12 1 − ( x − 2 1 ) 2 :f ′ ′ < 0 f''<0 f ′′ < 0 ,∫ 0 1 f = 0 \int_0^1f=0 ∫ 0 1 f = 0 ,f ( 1 2 ) = 1 12 > 0 f\big(\frac12\big)=\frac1{12}>0 f ( 2 1 ) = 12 1 > 0 ;(C)f = x − 1 2 f=x-\frac12 f = x − 2 1 :f ( 1 2 ) = 0 f\big(\frac12\big)=0 f ( 2 1 ) = 0 。所以选(D)。
每个错误选项都给一个满足条件但结论不成立的函数。
答案:D
3.4 比较积分的大小:回到被积函数
大白话:积分区间相同,就比较被积函数;被积函数谁大,积分就谁大 (保号性)。积分区间不同,就先把区间拆开、平移,化成同一个区间再比。积分本身通常算不出来,也不需要算。
x y O ln cot x ln cos x ln sin x π/4 2011 数一(4):在 ( 0 , π 4 ) (0,\frac\pi4) ( 0 , 4 π ) 上三条曲线从下到上依次是 ln sin x \ln\sin x ln sin x 、ln cos x \ln\cos x ln cos x 、ln cot x \ln\cot x ln cot x ,积分的大小顺序和曲线的上下顺序相同。
比较大小的三板斧(大串讲 L18)
同区间比被积函数 :f ≤ g f\le g f ≤ g 且不恒等 ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ a b f < ∫ a b g \int_a^bf<\int_a^bg ∫ a b f < ∫ a b g 。
区间有包含关系看符号 :∫ 0 k π − ∫ 0 j π = ∫ j π k π \int_0^{k\pi}-\int_0^{j\pi}=\int_{j\pi}^{k\pi} ∫ 0 kπ − ∫ 0 jπ = ∫ jπ kπ ,只看多出来那段的正负。
对称区间先去奇函数 ,再比较剩下的偶函数部分。
常用不等式(x > 0 x>0 x > 0 ):x 1 + x < ln ( 1 + x ) < x \dfrac x{1+x}<\ln(1+x)<x 1 + x x < ln ( 1 + x ) < x ;sin x < x < tan x \sin x<x<\tan x sin x < x < tan x (0 < x < π 2 0<x<\frac\pi2 0 < x < 2 π );e x > 1 + x \e^x>1+x e x > 1 + x ;凹函数(f ′ ′ > 0 f''>0 f ′′ > 0 ,图像向上弯)在弦的下方、在切线的上方。
说明:考研教材(同济版)把 f ′ ′ > 0 f''>0 f ′′ > 0 叫“凹”,本笔记全部按这个叫法;有些书把它叫“下凸”或“凸函数”,意思一样。
方法卡 · 比较定积分的大小
什么时候用
选择题给出两三个算不出来的定积分,问大小关系。
步骤
统一积分区间(拆分、换元平移)。
对称区间:先去掉奇函数部分。
比较被积函数:作差或作商,必要时构造辅助函数求导判断正负。
区间长短不同、被积函数变号:拆出多余的一段,用换元比较两段的绝对值。
最容易错
只在区间的一部分上验证了不等式(比如
1 + cos x > 1 + sin x 1+\cos x>1+\sin x 1 + cos x > 1 + sin x 只在
x < π 4 x<\frac\pi4 x < 4 π 时成立);忘了奇函数部分积分为 0。
例 3.8 2011 数一(4) 李林 第六章 §3 例 4 · p146
设
I = ∫ 0 π / 4 ln ( sin x ) d x I=\int_0^{\pi/4}\ln(\sin x)\dx I = ∫ 0 π /4 ln ( sin x ) d x ,
J = ∫ 0 π / 4 ln ( cot x ) d x J=\int_0^{\pi/4}\ln(\cot x)\dx J = ∫ 0 π /4 ln ( cot x ) d x ,
K = ∫ 0 π / 4 ln ( cos x ) d x K=\int_0^{\pi/4}\ln(\cos x)\dx K = ∫ 0 π /4 ln ( cos x ) d x ,则
I , J , K I,J,K I , J , K 的大小关系为( )
(A)
I < J < K I<J<K I < J < K (B)
I < K < J I<K<J I < K < J (C)
J < I < K J<I<K J < I < K (D)
K < J < I K<J<I K < J < I
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 同一区间,比较被积函数。 在 ( 0 , π 4 ) \big(0,\frac\pi4\big) ( 0 , 4 π ) 上 0 < sin x < cos x < 1 < cot x 0<\sin x<\cos x<1<\cot x 0 < sin x < cos x < 1 < cot x 。
在单位圆上,x < π 4 x<\frac\pi4 x < 4 π 时正弦比余弦小(到 π 4 \frac\pi4 4 π 才相等);cot x = cos x sin x \cot x=\frac{\cos x}{\sin x} cot x = s i n x c o s x 分子比分母大,所以大于 1。
② 取对数不改变大小。 ln \ln ln 单调增加,所以 ln sin x < ln cos x < 0 < ln cot x \ln\sin x<\ln\cos x<0<\ln\cot x ln sin x < ln cos x < 0 < ln cot x 。
单调增加的函数保持不等号方向。
③ 积分。 由保号性(连续、不恒等,严格)I < K < J I<K<J I < K < J 。所以选(B)。
区间相同,被积函数小的积分小。
答案:B
例 3.9 2012 数一(4) 李林 第六章 §3 例 5 · p146
设
I k = ∫ 0 k π e x 2 sin x d x I_k=\int_0^{k\pi}\e^{x^2}\sin x\dx I k = ∫ 0 kπ e x 2 sin x d x (
k = 1 , 2 , 3 k=1,2,3 k = 1 , 2 , 3 ),则有( )
(A)
I 1 < I 2 < I 3 I_1<I_2<I_3 I 1 < I 2 < I 3 (B)
I 3 < I 2 < I 1 I_3<I_2<I_1 I 3 < I 2 < I 1 (C)
I 2 < I 3 < I 1 I_2<I_3<I_1 I 2 < I 3 < I 1 (D)
I 2 < I 1 < I 3 I_2<I_1<I_3 I 2 < I 1 < I 3
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 区间有包含关系,看多出来的段。 I 2 − I 1 = ∫ π 2 π e x 2 sin x d x < 0 I_2-I_1=\int_\pi^{2\pi}\e^{x^2}\sin x\dx<0 I 2 − I 1 = ∫ π 2 π e x 2 sin x d x < 0 (这段上 sin x < 0 \sin x<0 sin x < 0 ),所以 I 2 < I 1 I_2<I_1 I 2 < I 1 。
被积函数在 ( π , 2 π ) (\pi,2\pi) ( π , 2 π ) 上恒负,积分为负。
② I 3 − I 1 I_3-I_1 I 3 − I 1 由两段组成,符号相反。 I 3 − I 1 = ∫ π 2 π e x 2 sin x d x + ∫ 2 π 3 π e x 2 sin x d x I_3-I_1=\int_\pi^{2\pi}\e^{x^2}\sin x\dx+\int_{2\pi}^{3\pi}\e^{x^2}\sin x\dx I 3 − I 1 = ∫ π 2 π e x 2 sin x d x + ∫ 2 π 3 π e x 2 sin x d x ,前一段负、后一段正,要比较大小。
不能只看符号,要比较两段的绝对值。
③ 把后一段平移到 [ π , 2 π ] [\pi,2\pi] [ π , 2 π ] 。 令 x = t + π x=t+\pi x = t + π :∫ 2 π 3 π e x 2 sin x d x = − ∫ π 2 π e ( t + π ) 2 sin t d t \int_{2\pi}^{3\pi}\e^{x^2}\sin x\dx=-\int_\pi^{2\pi}\e^{(t+\pi)^2}\sin t\dt ∫ 2 π 3 π e x 2 sin x d x = − ∫ π 2 π e ( t + π ) 2 sin t d t 。于是 I 3 − I 1 = ∫ π 2 π [ e t 2 − e ( t + π ) 2 ] sin t d t I_3-I_1=\int_\pi^{2\pi}\big[\e^{t^2}-\e^{(t+\pi)^2}\big]\sin t\dt I 3 − I 1 = ∫ π 2 π [ e t 2 − e ( t + π ) 2 ] sin t d t 。
sin ( t + π ) = − sin t \sin(t+\pi)=-\sin t sin ( t + π ) = − sin t ;平移后两段在同一区间上,可以合并。
④ 判断符号。 在 ( π , 2 π ) (\pi,2\pi) ( π , 2 π ) 上 e t 2 − e ( t + π ) 2 < 0 \e^{t^2}-\e^{(t+\pi)^2}<0 e t 2 − e ( t + π ) 2 < 0 ,sin t < 0 \sin t<0 sin t < 0 ,乘积 > 0 >0 > 0 ,所以 I 3 > I 1 I_3>I_1 I 3 > I 1 。综上 I 2 < I 1 < I 3 I_2<I_1<I_3 I 2 < I 1 < I 3 。所以选(D)。
e x 2 \e^{x^2} e x 2 越往右越大,后一段的正面积比前一段的负面积大。
答案:D
例 3.10 2018 数一(4)
设
M = ∫ − π / 2 π / 2 ( 1 + x ) 2 1 + x 2 d x M=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\dfrac{(1+x)^2}{1+x^2}\dx M = ∫ − π /2 π /2 1 + x 2 ( 1 + x ) 2 d x ,
N = ∫ − π / 2 π / 2 1 + x e x d x N=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\dfrac{1+x}{\e^x}\dx N = ∫ − π /2 π /2 e x 1 + x d x ,
K = ∫ − π / 2 π / 2 ( 1 + cos x ) d x K=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\big(1+\sqrt{\cos x}\big)\dx K = ∫ − π /2 π /2 ( 1 + cos x ) d x ,则( )
(A)
M > N > K M>N>K M > N > K (B)
M > K > N M>K>N M > K > N (C)
K > M > N K>M>N K > M > N (D)
K > N > M K>N>M K > N > M
解答先遮住,自己试 5 分钟
① M M M :展开后去掉奇函数。 ( 1 + x ) 2 1 + x 2 = 1 + 2 x 1 + x 2 \dfrac{(1+x)^2}{1+x^2}=1+\dfrac{2x}{1+x^2} 1 + x 2 ( 1 + x ) 2 = 1 + 1 + x 2 2 x ,后一项是奇函数,积分为 0,所以 M = ∫ − π / 2 π / 2 1 d x = π M=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}1\dx=\pi M = ∫ − π /2 π /2 1 d x = π 。
对称区间先去奇函数;剩下的常数 1 直接积。
② N N N :与 1 比较。 x ≠ 0 x\ne0 x = 0 时 e x > 1 + x \e^x>1+x e x > 1 + x ,所以 1 + x e x < 1 \dfrac{1+x}{\e^x}<1 e x 1 + x < 1 ,N < π N<\pi N < π 。
常用不等式 e x ≥ 1 + x \e^x\ge1+x e x ≥ 1 + x ,等号只在 x = 0 x=0 x = 0 。
③ K K K :与 1 比较。 1 + cos x > 1 1+\sqrt{\cos x}>1 1 + cos x > 1 (除端点外 cos x > 0 \cos x>0 cos x > 0 ),所以 K > π K>\pi K > π 。所以选(C)。
三个积分都拿常数 π = ∫ 1 \pi=\int1 π = ∫ 1 做“中间人”。
答案:C
例 3.11 2022 数一(4)
若
I 1 = ∫ 0 1 x 2 ( 1 + cos x ) d x I_1=\int_0^1\dfrac x{2(1+\cos x)}\dx I 1 = ∫ 0 1 2 ( 1 + cos x ) x d x ,
I 2 = ∫ 0 1 ln ( 1 + x ) 1 + cos x d x I_2=\int_0^1\dfrac{\ln(1+x)}{1+\cos x}\dx I 2 = ∫ 0 1 1 + cos x ln ( 1 + x ) d x ,
I 3 = ∫ 0 1 2 x 1 + sin x d x I_3=\int_0^1\dfrac{2x}{1+\sin x}\dx I 3 = ∫ 0 1 1 + sin x 2 x d x ,则( )
(A)
I 1 < I 2 < I 3 I_1<I_2<I_3 I 1 < I 2 < I 3 (B)
I 2 < I 1 < I 3 I_2<I_1<I_3 I 2 < I 1 < I 3 (C)
I 1 < I 3 < I 2 I_1<I_3<I_2 I 1 < I 3 < I 2 (D)
I 3 < I 2 < I 1 I_3<I_2<I_1 I 3 < I 2 < I 1
解答先遮住,自己试 5 分钟
① I 1 I_1 I 1 与 I 2 I_2 I 2 :分母相同,比分子。 设 h ( x ) = ln ( 1 + x ) − x 2 h(x)=\ln(1+x)-\dfrac x2 h ( x ) = ln ( 1 + x ) − 2 x ,h ′ ( x ) = 1 1 + x − 1 2 > 0 h'(x)=\dfrac1{1+x}-\dfrac12>0 h ′ ( x ) = 1 + x 1 − 2 1 > 0 (0 < x < 1 0<x<1 0 < x < 1 ),h ( 0 ) = 0 h(0)=0 h ( 0 ) = 0 ,所以 ln ( 1 + x ) > x 2 \ln(1+x)>\dfrac x2 ln ( 1 + x ) > 2 x ,I 1 < I 2 I_1<I_2 I 1 < I 2 。
ln ( 1 + x ) < x \ln(1+x)<x ln ( 1 + x ) < x 是常用的,但这里比的是 x 2 \frac x2 2 x ,方向反过来,必须重新构造函数判断。
② I 2 I_2 I 2 与 I 3 I_3 I 3 :先放大 I 2 I_2 I 2 的分子。 ln ( 1 + x ) < x \ln(1+x)<x ln ( 1 + x ) < x ,所以 ln ( 1 + x ) 1 + cos x < x 1 + cos x \dfrac{\ln(1+x)}{1+\cos x}<\dfrac x{1+\cos x} 1 + cos x ln ( 1 + x ) < 1 + cos x x 。
分子分母都不同,分两步:先固定分母比分子。
③ 再比分母。 要证 x 1 + cos x < 2 x 1 + sin x \dfrac x{1+\cos x}<\dfrac{2x}{1+\sin x} 1 + cos x x < 1 + sin x 2 x ,即 1 + sin x < 2 ( 1 + cos x ) 1+\sin x<2(1+\cos x) 1 + sin x < 2 ( 1 + cos x ) ,即 sin x − 2 cos x < 1 \sin x-2\cos x<1 sin x − 2 cos x < 1 。在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上 sin x ≤ sin 1 < 0.85 \sin x\le\sin1<0.85 sin x ≤ sin 1 < 0.85 ,2 cos x ≥ 2 cos 1 > 1.08 2\cos x\ge2\cos1>1.08 2 cos x ≥ 2 cos 1 > 1.08 ,左边小于 0,成立。所以 I 2 < I 3 I_2<I_3 I 2 < I 3 。所以选(A)。
不要用 1 + cos x > 1 + sin x 1+\cos x>1+\sin x 1 + cos x > 1 + sin x ,它只在 x < π 4 ≈ 0.785 x<\frac\pi4\approx0.785 x < 4 π ≈ 0.785 时成立,[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 超出了这个范围。
答案:A
例 3.12 2017 数二(2)
设二阶可导函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 满足
f ( 1 ) = f ( − 1 ) = 1 f(1)=f(-1)=1 f ( 1 ) = f ( − 1 ) = 1 ,
f ( 0 ) = − 1 f(0)=-1 f ( 0 ) = − 1 且
f ′ ′ ( x ) > 0 f''(x)>0 f ′′ ( x ) > 0 ,则( )
(A)
∫ − 1 1 f ( x ) d x > 0 \int_{-1}^1f(x)\dx>0 ∫ − 1 1 f ( x ) d x > 0 (B)
∫ − 1 1 f ( x ) d x < 0 \int_{-1}^1f(x)\dx<0 ∫ − 1 1 f ( x ) d x < 0 (C)
∫ − 1 0 f ( x ) d x > ∫ 0 1 f ( x ) d x \int_{-1}^0f(x)\dx>\int_0^1f(x)\dx ∫ − 1 0 f ( x ) d x > ∫ 0 1 f ( x ) d x (D)
∫ − 1 0 f ( x ) d x < ∫ 0 1 f ( x ) d x \int_{-1}^0f(x)\dx<\int_0^1f(x)\dx ∫ − 1 0 f ( x ) d x < ∫ 0 1 f ( x ) d x
解答先遮住,自己试 5 分钟
① f ′ ′ > 0 f''>0 f ′′ > 0 :曲线在弦的下方。 在 [ − 1 , 0 ] [-1,0] [ − 1 , 0 ] 上 f ( x ) < − 1 − 2 x f(x)<-1-2x f ( x ) < − 1 − 2 x (连接 ( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) 与 ( 0 , − 1 ) (0,-1) ( 0 , − 1 ) 的弦),在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上 f ( x ) < − 1 + 2 x f(x)<-1+2x f ( x ) < − 1 + 2 x 。
凹函数(f ′ ′ > 0 f''>0 f ′′ > 0 ,向上弯)的图形在任意弦的下方(端点处相等)。
② 积分比较。 ∫ − 1 1 f < ∫ − 1 0 ( − 1 − 2 x ) d x + ∫ 0 1 ( − 1 + 2 x ) d x = 0 + 0 = 0 \int_{-1}^1f<\int_{-1}^0(-1-2x)\dx+\int_0^1(-1+2x)\dx=0+0=0 ∫ − 1 1 f < ∫ − 1 0 ( − 1 − 2 x ) d x + ∫ 0 1 ( − 1 + 2 x ) d x = 0 + 0 = 0 ,(B)正确。
两条弦与 x x x 轴围成的带符号面积都是 0。
③ (C)(D)都不一定。 f = 2 x 2 − 1 + c ( x 3 − x ) f=2x^2-1+c(x^3-x) f = 2 x 2 − 1 + c ( x 3 − x ) (∣ c ∣ < 2 3 |c|<\frac23 ∣ c ∣ < 3 2 保证 f ′ ′ = 4 + 6 c x > 0 f''=4+6cx>0 f ′′ = 4 + 6 c x > 0 )满足条件,∫ − 1 0 f − ∫ 0 1 f = c 2 \int_{-1}^0f-\int_0^1f=\dfrac c2 ∫ − 1 0 f − ∫ 0 1 f = 2 c :c > 0 c>0 c > 0 时(C)对,c < 0 c<0 c < 0 时(D)对,c = 0 c=0 c = 0 时都不对。所以选(B)。
条件只约束了三个点和凹凸性,左右两半谁大无法确定,一族反例就能说明。
答案:B
3.5 用定积分的定义求和式的极限
大白话:看到 lim n → ∞ \lim\limits_{n\to\infty} n → ∞ lim 一个 n n n 项的和,每一项里都有 k n \frac kn n k ,就把它看成矩形面积和 :提出一个 1 n \frac1n n 1 当“底”,剩下的写成 f ( k n ) f\big(\frac kn\big) f ( n k ) 当“高”,极限就是 ∫ 0 1 f ( x ) d x \int_0^1f(x)\dx ∫ 0 1 f ( x ) d x 。
x y O y =x ln(1+x )8 个矩形 = 0.2949 曲线下面积 = 1/4 1/2 1 2017 数一(16):∑ k n 2 ln ( 1 + k n ) = 1 n ∑ f ( k n ) \sum\frac k{n^2}\ln\big(1+\frac kn\big)=\frac1n\sum f\big(\frac kn\big) ∑ n 2 k ln ( 1 + n k ) = n 1 ∑ f ( n k ) ,f ( x ) = x ln ( 1 + x ) f(x)=x\ln(1+x) f ( x ) = x ln ( 1 + x ) ;8 个右端点矩形的面积和已经很接近曲线下的面积 1 4 \frac14 4 1 。
定积分定义的“求极限版”
lim n → ∞ 1 n ∑ k = 1 n f ( k n ) = ∫ 0 1 f ( x ) d x , \displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1n\sum_{k=1}^nf\Big(\frac kn\Big)=\int_0^1f(x)\dx, n → ∞ lim n 1 k = 1 ∑ n f ( n k ) = ∫ 0 1 f ( x ) d x , lim n → ∞ b − a n ∑ k = 1 n f ( a + k b − a n ) = ∫ a b f ( x ) d x . \displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{b-a}n\sum_{k=1}^nf\Big(a+k\frac{b-a}n\Big)=\int_a^bf(x)\dx. n → ∞ lim n b − a k = 1 ∑ n f ( a + k n b − a ) = ∫ a b f ( x ) d x .
求和从 k = 0 k=0 k = 0 到 n − 1 n-1 n − 1 (左端点)或取中点 2 k − 1 2 n \frac{2k-1}{2n} 2 n 2 k − 1 ,极限不变;少几项、多几项也不变(每项趋于 0)。
方法卡 · 和式极限化定积分
什么时候用
n n n 项求和取极限,每一项的形式相同,只有
k k k 在变,而且能写成
k n \frac kn n k 的函数。
步骤
把通项写成 1 n ⋅ f ( k n ) \frac1n\cdot f\big(\frac kn\big) n 1 ⋅ f ( n k ) :分母里的 n 2 + k 2 n^2+k^2 n 2 + k 2 就提出 n 2 n^2 n 2 ,等等。
确定 f ( x ) f(x) f ( x ) (把 k n \frac kn n k 换成 x x x )和区间(k n \frac kn n k 从 1 n \frac1n n 1 走到 1,区间是 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] )。
写成 ∫ 0 1 f ( x ) d x \int_0^1f(x)\dx ∫ 0 1 f ( x ) d x 计算。
凑不出 1 n f ( k n ) \frac1n f(\frac kn) n 1 f ( n k ) 的精确形式时,放缩成两个能凑的和,再夹逼。
最容易错
提
1 n \frac1n n 1 时次数算错(
k n 2 = 1 n ⋅ k n \frac k{n^2}=\frac1n\cdot\frac kn n 2 k = n 1 ⋅ n k );宽度与项数不匹配(
2 n 2n 2 n 项、宽度
1 2 n \frac1{2n} 2 n 1 才是
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] )。
例 3.13 2017 数一(16)
求
lim n → ∞ ∑ k = 1 n k n 2 ln ( 1 + k n ) \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^n\dfrac k{n^2}\ln\Big(1+\dfrac kn\Big) n → ∞ lim k = 1 ∑ n n 2 k ln ( 1 + n k ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 凑成 1 n f ( k n ) \frac1n f\big(\frac kn\big) n 1 f ( n k ) 。 k n 2 ln ( 1 + k n ) = 1 n ⋅ k n ln ( 1 + k n ) \dfrac k{n^2}\ln\Big(1+\dfrac kn\Big)=\dfrac1n\cdot\dfrac kn\ln\Big(1+\dfrac kn\Big) n 2 k ln ( 1 + n k ) = n 1 ⋅ n k ln ( 1 + n k ) ,f ( x ) = x ln ( 1 + x ) f(x)=x\ln(1+x) f ( x ) = x ln ( 1 + x ) 。
k n 2 \frac k{n^2} n 2 k 拆成 1 n ⋅ k n \frac1n\cdot\frac kn n 1 ⋅ n k :一个当底,一个进高。
② 化成定积分。 原式 = ∫ 0 1 x ln ( 1 + x ) d x =\int_0^1x\ln(1+x)\dx = ∫ 0 1 x ln ( 1 + x ) d x 。
和式里 k n \frac kn n k 依次取 1 n , 2 n , … , 1 \frac1n,\frac2n,\dots,1 n 1 , n 2 , … , 1 ,正好把 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 等分,所以积分区间是 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] ,被积函数就是把 k n \frac kn n k 换成 x x x 。
③ 分部积分。 = x 2 2 ln ( 1 + x ) ∣ 0 1 − 1 2 ∫ 0 1 x 2 1 + x d x = ln 2 2 − 1 2 ∫ 0 1 ( x − 1 + 1 1 + x ) d x = ln 2 2 − 1 2 ( − 1 2 + ln 2 ) = 1 4 =\dfrac{x^2}2\ln(1+x)\Big|_0^1-\dfrac12\int_0^1\dfrac{x^2}{1+x}\dx=\dfrac{\ln2}2-\dfrac12\int_0^1\Big(x-1+\dfrac1{1+x}\Big)\dx=\dfrac{\ln2}2-\dfrac12\Big(-\dfrac12+\ln2\Big)=\dfrac14 = 2 x 2 ln ( 1 + x ) 0 1 − 2 1 ∫ 0 1 1 + x x 2 d x = 2 ln 2 − 2 1 ∫ 0 1 ( x − 1 + 1 + x 1 ) d x = 2 ln 2 − 2 1 ( − 2 1 + ln 2 ) = 4 1 。
“对”当 u u u ;x 2 1 + x \frac{x^2}{1+x} 1 + x x 2 除法拆出多项式。
答案:1 4 \frac14 4 1
例 3.14 2021 数一(4)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在区间
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上连续,则
∫ 0 1 f ( x ) d x = \int_0^1f(x)\dx= ∫ 0 1 f ( x ) d x = ( )
(A)
lim n → ∞ ∑ k = 1 n f ( 2 k − 1 2 n ) 1 2 n \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^nf\Big(\dfrac{2k-1}{2n}\Big)\dfrac1{2n} n → ∞ lim k = 1 ∑ n f ( 2 n 2 k − 1 ) 2 n 1 (B)
lim n → ∞ ∑ k = 1 n f ( 2 k − 1 2 n ) 1 n \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^nf\Big(\dfrac{2k-1}{2n}\Big)\dfrac1n n → ∞ lim k = 1 ∑ n f ( 2 n 2 k − 1 ) n 1 (C)
lim n → ∞ ∑ k = 1 2 n f ( k − 1 2 n ) 1 n \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^{2n}f\Big(\dfrac{k-1}{2n}\Big)\dfrac1n n → ∞ lim k = 1 ∑ 2 n f ( 2 n k − 1 ) n 1 (D)
lim n → ∞ ∑ k = 1 2 n f ( k 2 n ) 2 n \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^{2n}f\Big(\dfrac k{2n}\Big)\dfrac2n n → ∞ lim k = 1 ∑ 2 n f ( 2 n k ) n 2
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 检查“取点”与“宽度”是否配套。 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 分成 m m m 等份,宽度必须是 1 m \frac1m m 1 ,取点落在第 k k k 份 [ k − 1 m , k m ] \big[\frac{k-1}m,\frac km\big] [ m k − 1 , m k ] 里。
矩形面积和 = Σ 高 × 宽,宽要与分法一致。
② (A)(B):n n n 等份,取中点。 2 k − 1 2 n \frac{2k-1}{2n} 2 n 2 k − 1 是 [ k − 1 n , k n ] \big[\frac{k-1}n,\frac kn\big] [ n k − 1 , n k ] 的中点,宽度应为 1 n \frac1n n 1 。(B)正确;(A)宽度 1 2 n \frac1{2n} 2 n 1 ,极限是 1 2 ∫ 0 1 f \frac12\int_0^1f 2 1 ∫ 0 1 f 。
取中点也是合法的取法。
③ (C)(D):2 n 2n 2 n 等份。 宽度应为 1 2 n \frac1{2n} 2 n 1 。(C)乘的是 1 n \frac1n n 1 ,极限 2 ∫ 0 1 f 2\int_0^1f 2 ∫ 0 1 f ;(D)乘 2 n \frac2n n 2 ,极限 4 ∫ 0 1 f 4\int_0^1f 4 ∫ 0 1 f 。所以选(B)。
取 f ≡ 1 f\equiv1 f ≡ 1 检验:(A)得 1 2 \frac12 2 1 ,(B)得 1,(C)得 2,(D)得 4。
答案:B
例 3.15 2012 数二(10)
lim n → ∞ n ( 1 1 + n 2 + 1 2 2 + n 2 + ⋯ + 1 n 2 + n 2 ) = \lim\limits_{n\to\infty}n\Big(\dfrac1{1+n^2}+\dfrac1{2^2+n^2}+\cdots+\dfrac1{n^2+n^2}\Big)= n → ∞ lim n ( 1 + n 2 1 + 2 2 + n 2 1 + ⋯ + n 2 + n 2 1 ) = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写成求和并提出 n 2 n^2 n 2 。 原式 = lim ∑ k = 1 n n k 2 + n 2 = lim 1 n ∑ k = 1 n 1 1 + ( k / n ) 2 =\lim\sum\limits_{k=1}^n\dfrac n{k^2+n^2}=\lim\dfrac1n\sum\limits_{k=1}^n\dfrac1{1+(k/n)^2} = lim k = 1 ∑ n k 2 + n 2 n = lim n 1 k = 1 ∑ n 1 + ( k / n ) 2 1 。
分子分母同除 n 2 n^2 n 2 :n n 2 ( 1 + ( k / n ) 2 ) = 1 n ⋅ 1 1 + ( k / n ) 2 \frac{n}{n^2(1+(k/n)^2)}=\frac1n\cdot\frac1{1+(k/n)^2} n 2 ( 1 + ( k / n ) 2 ) n = n 1 ⋅ 1 + ( k / n ) 2 1 。
② 化成定积分。 = ∫ 0 1 d x 1 + x 2 = arctan x ∣ 0 1 = π 4 =\int_0^1\dfrac{\dx}{1+x^2}=\arctan x\Big|_0^1=\dfrac\pi4 = ∫ 0 1 1 + x 2 d x = arctan x 0 1 = 4 π 。
把 k n \frac kn n k 换成 x x x ,被积函数就是 1 1 + x 2 \frac1{1+x^2} 1 + x 2 1 ,它的原函数是 arctan x \arctan x arctan x 。
答案:π 4 \frac\pi4 4 π
例 3.16 2016 数二(10)
极限
lim n → ∞ 1 n 2 ( sin 1 n + 2 sin 2 n + ⋯ + n sin n n ) = \lim\limits_{n\to\infty}\dfrac1{n^2}\Big(\sin\dfrac1n+2\sin\dfrac2n+\cdots+n\sin\dfrac nn\Big)= n → ∞ lim n 2 1 ( sin n 1 + 2 sin n 2 + ⋯ + n sin n n ) = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 凑 1 n f ( k n ) \frac1n f\big(\frac kn\big) n 1 f ( n k ) 。 1 n 2 ⋅ k sin k n = 1 n ⋅ k n sin k n \dfrac1{n^2}\cdot k\sin\dfrac kn=\dfrac1n\cdot\dfrac kn\sin\dfrac kn n 2 1 ⋅ k sin n k = n 1 ⋅ n k sin n k ,f ( x ) = x sin x f(x)=x\sin x f ( x ) = x sin x 。
k n 2 \frac{k}{n^2} n 2 k 拆成 1 n ⋅ k n \frac1n\cdot\frac kn n 1 ⋅ n k ,和 2017 数一(16) 一样。
② 分部积分。 ∫ 0 1 x sin x d x = − x cos x ∣ 0 1 + ∫ 0 1 cos x d x = − cos 1 + sin 1 \int_0^1x\sin x\dx=-x\cos x\Big|_0^1+\int_0^1\cos x\dx=-\cos1+\sin1 ∫ 0 1 x sin x d x = − x cos x 0 1 + ∫ 0 1 cos x d x = − cos 1 + sin 1 。
“幂”当 u u u ,三角函数进 d v \dd v d v 。
答案:sin 1 − cos 1 \sin1-\cos1 sin 1 − cos 1
例 3.17 2025 数二(13)
lim n → ∞ 1 n 2 [ ln 1 n + 2 ln 2 n + ⋯ + ( n − 1 ) ln n − 1 n ] = \lim\limits_{n\to\infty}\dfrac1{n^2}\Big[\ln\dfrac1n+2\ln\dfrac2n+\cdots+(n-1)\ln\dfrac{n-1}n\Big]= n → ∞ lim n 2 1 [ ln n 1 + 2 ln n 2 + ⋯ + ( n − 1 ) ln n n − 1 ] = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 凑 1 n f ( k n ) \frac1n f\big(\frac kn\big) n 1 f ( n k ) ,补上第 n n n 项。 通项 1 n ⋅ k n ln k n \dfrac1n\cdot\dfrac kn\ln\dfrac kn n 1 ⋅ n k ln n k ,f ( x ) = x ln x f(x)=x\ln x f ( x ) = x ln x ;第 n n n 项 1 n ⋅ 1 ⋅ ln 1 = 0 \frac1n\cdot1\cdot\ln1=0 n 1 ⋅ 1 ⋅ ln 1 = 0 ,补上不影响。
和只到 n − 1 n-1 n − 1 ,补齐成 n n n 项更规整;缺少或多出有限项不改变极限。
② 化成定积分并分部。 ∫ 0 1 x ln x d x = x 2 2 ln x ∣ 0 1 − ∫ 0 1 x 2 d x = 0 − 1 4 = − 1 4 \int_0^1x\ln x\dx=\dfrac{x^2}2\ln x\Big|_0^1-\int_0^1\dfrac x2\dx=0-\dfrac14=-\dfrac14 ∫ 0 1 x ln x d x = 2 x 2 ln x 0 1 − ∫ 0 1 2 x d x = 0 − 4 1 = − 4 1 。
x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时 x 2 ln x → 0 x^2\ln x\to0 x 2 ln x → 0 ;f ( x ) = x ln x f(x)=x\ln x f ( x ) = x ln x 在 0 处补定义为 0 后连续,所以定积分存在。
答案:− 1 4 -\frac14 − 4 1
例 3.18 李林 第六章 习题 填空 (1)、解答 (5) · p163
求:(1)
lim n → ∞ ∑ i = 1 n e i / n n + n e 2 i / n \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{\e^{i/n}}{n+n\e^{2i/n}} n → ∞ lim i = 1 ∑ n n + n e 2 i / n e i / n ;(2)
lim n → ∞ ∑ i = 1 n 1 n + i 2 + 1 n \lim\limits_{n\to\infty}\sum\limits_{i=1}^n\dfrac1{n+\frac{i^2+1}n} n → ∞ lim i = 1 ∑ n n + n i 2 + 1 1 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 直接凑。 通项 = 1 n ⋅ e i / n 1 + e 2 i / n =\dfrac1n\cdot\dfrac{\e^{i/n}}{1+\e^{2i/n}} = n 1 ⋅ 1 + e 2 i / n e i / n ,极限 = ∫ 0 1 e x 1 + e 2 x d x = arctan e x ∣ 0 1 = arctan e − π 4 =\int_0^1\dfrac{\e^x}{1+\e^{2x}}\dx=\arctan\e^x\Big|_0^1=\arctan\e-\dfrac\pi4 = ∫ 0 1 1 + e 2 x e x d x = arctan e x 0 1 = arctan e − 4 π 。
分母提出 n n n 就是 1 n \frac1n n 1 ;积分用凑微分 d e x \dd\e^x d e x (例 2.1 第 6 小题)。
② (2) 通项凑不整齐,先放缩。 通项 = n n 2 + i 2 + 1 =\dfrac n{n^2+i^2+1} = n 2 + i 2 + 1 n 。因为 i 2 < i 2 + 1 ≤ ( i + 1 ) 2 i^2<i^2+1\le(i+1)^2 i 2 < i 2 + 1 ≤ ( i + 1 ) 2 ,有 n n 2 + ( i + 1 ) 2 ≤ n n 2 + i 2 + 1 < n n 2 + i 2 \dfrac n{n^2+(i+1)^2}\le\dfrac n{n^2+i^2+1}<\dfrac n{n^2+i^2} n 2 + ( i + 1 ) 2 n ≤ n 2 + i 2 + 1 n < n 2 + i 2 n 。
多出来的“+1”破坏了 i n \frac in n i 的形式,就把它夹在两个整齐的式子之间。
③ (2) 两边都是定积分。 ∑ i = 1 n n n 2 + i 2 = 1 n ∑ 1 1 + ( i / n ) 2 → π 4 \sum\limits_{i=1}^n\dfrac n{n^2+i^2}=\dfrac1n\sum\dfrac1{1+(i/n)^2}\to\dfrac\pi4 i = 1 ∑ n n 2 + i 2 n = n 1 ∑ 1 + ( i / n ) 2 1 → 4 π ;左边 = 1 n ∑ j = 2 n + 1 1 1 + ( j / n ) 2 =\dfrac1n\sum\limits_{j=2}^{n+1}\dfrac1{1+(j/n)^2} = n 1 j = 2 ∑ n + 1 1 + ( j / n ) 2 1 ,只比右边的和少一项、多一项,极限也是 π 4 \dfrac\pi4 4 π 。由夹逼,原式 = π 4 =\dfrac\pi4 = 4 π 。
左边换下标 j = i + 1 j=i+1 j = i + 1 就和右边只差首尾两项,每项不超过 1 n \frac1n n 1 ,不影响极限。
答案:(1) arctan e − π 4 \arctan\e-\frac\pi4 arctan e − 4 π ;(2) π 4 \frac\pi4 4 π
3.6 平均值、路程与“加权平均”
大白话:速度对时间的积分是路程,函数在区间上的积分除以区间长度是平均值 。应用题里,先想清楚“每一小段时间里的量是什么”,再把它们加起来(积分)。两条速度曲线之间的面积就是两人走的距离之差。
t v O 10 20 3 甲的速度 v 1 乙的速度 v 2 5 10 15 20 25 30 2017 数一(4):两条速度曲线之间的面积是距离差。前 10 秒甲快,拉开 10 米(加上原来的 10 米共 20 米);10 到 25 秒乙快,追回 20 米,t = 25 t=25 t = 25 时追上。
平均值与路程
f ˉ = 1 b − a ∫ a b f ( x ) d x , \displaystyle \bar f=\frac1{b-a}\int_a^bf(x)\dx, f ˉ = b − a 1 ∫ a b f ( x ) d x , s ( T ) − s ( 0 ) = ∫ 0 T v ( t ) d t , \displaystyle s(T)-s(0)=\int_0^Tv(t)\dt, s ( T ) − s ( 0 ) = ∫ 0 T v ( t ) d t , 加权平均 = ∫ a b f ( t ) w ( t ) d t ∫ a b w ( t ) d t . \displaystyle \text{加权平均 }=\frac{\int_a^bf(t)w(t)\dt}{\int_a^bw(t)\dt}. 加权平均 = ∫ a b w ( t ) d t ∫ a b f ( t ) w ( t ) d t .
方法卡 · 应用题里的定积分
什么时候用
题目说“平均值”“平均速度”“走过的路程”“追上”“平均价格”。
步骤
找出“变化的量”和“对谁积分”(时间 t t t 、位置 x x x )。
写出小段 [ t , t + d t ] [t,t+\dd t] [ t , t + d t ] 上的量:路程 v d t v\dt v d t 、花费 p d q p\,\dd q p d q 等。
积分加起来;平均值再除以“总量”(区间长度、总份额)。
最容易错
平均价格用
1 T ∫ p d t \frac1T\int p\dt T 1 ∫ p d t (对时间平均),而正确的是按买入份额加权;追及题忘了初始距离。
例 3.19 2017 数一(4)
甲、乙两人赛跑,计时开始时,甲在乙前方 10(单位:m)处。图中实线表示甲的速度曲线
v = v 1 ( t ) v=v_1(t) v = v 1 ( t ) (单位:m/s),虚线表示乙的速度曲线
v = v 2 ( t ) v=v_2(t) v = v 2 ( t ) ,三块阴影部分面积的数值依次是 10、20、3(见上图,按题目条件重画)。计时开始后乙追上甲的时刻记为
t 0 t_0 t 0 (单位:s),则( )
(A)
t 0 = 10 t_0=10 t 0 = 10 (B)
15 < t 0 < 20 15<t_0<20 15 < t 0 < 20 (C)
t 0 = 25 t_0=25 t 0 = 25 (D)
t 0 > 25 t_0>25 t 0 > 25
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出两人的距离差。 乙落后甲的距离 D ( t ) = 10 + ∫ 0 t [ v 1 ( s ) − v 2 ( s ) ] d s D(t)=10+\int_0^t\big[v_1(s)-v_2(s)\big]\mathrm ds D ( t ) = 10 + ∫ 0 t [ v 1 ( s ) − v 2 ( s ) ] d s 。乙追上甲即 D ( t 0 ) = 0 D(t_0)=0 D ( t 0 ) = 0 。
每一小段时间里,两人多走的路程差是 ( v 1 − v 2 ) d t (v_1-v_2)\dt ( v 1 − v 2 ) d t ,加起来就是曲线间带符号的面积。
② 按图读面积。 0 ∼ 10 0\sim10 0 ∼ 10 秒 v 1 > v 2 v_1>v_2 v 1 > v 2 ,面积 10:D ( 10 ) = 20 D(10)=20 D ( 10 ) = 20 ;10 ∼ 25 10\sim25 10 ∼ 25 秒 v 2 > v 1 v_2>v_1 v 2 > v 1 ,面积 20:D ( 25 ) = 20 − 20 = 0 D(25)=20-20=0 D ( 25 ) = 20 − 20 = 0 。
在 10 10 10 到 25 25 25 之间 D D D 单调减少,在 t = 25 t=25 t = 25 时第一次等于 0。
③ 结论。 t 0 = 25 t_0=25 t 0 = 25 ,所以选(C)。
第三块面积 3 在 t 0 t_0 t 0 之后,是干扰信息。
答案:C
例 3.20 2024 数二(15)
某物体以速度
v ( t ) = t + k sin π t v(t)=t+k\sin\pi t v ( t ) = t + k sin π t 做直线运动,若它从
t = 0 t=0 t = 0 到
t = 3 t=3 t = 3 的时间段内平均速度是
5 2 \dfrac52 2 5 ,则
k = k= k = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 平均速度 = 路程 ÷ 时间。 1 3 ∫ 0 3 ( t + k sin π t ) d t = 5 2 \dfrac13\int_0^3(t+k\sin\pi t)\dt=\dfrac52 3 1 ∫ 0 3 ( t + k sin π t ) d t = 2 5 。
平均值公式,区间长度 3。
② 计算积分。 ∫ 0 3 t d t = 9 2 \int_0^3t\dt=\dfrac92 ∫ 0 3 t d t = 2 9 ;∫ 0 3 sin π t d t = − cos π t π ∣ 0 3 = − cos 3 π + 1 π = 2 π \int_0^3\sin\pi t\dt=-\dfrac{\cos\pi t}\pi\Big|_0^3=\dfrac{-\cos3\pi+1}\pi=\dfrac2\pi ∫ 0 3 sin π t d t = − π cos π t 0 3 = π − cos 3 π + 1 = π 2 。
3 π 3\pi 3 π 和 π \pi π 在单位圆上是同一个位置,cos 3 π = cos π = − 1 \cos3\pi=\cos\pi=-1 cos 3 π = cos π = − 1 ,所以 − cos 3 π + cos 0 = 1 + 1 = 2 -\cos3\pi+\cos0=1+1=2 − cos 3 π + cos 0 = 1 + 1 = 2 。
③ 解方程。 1 3 ( 9 2 + 2 k π ) = 5 2 \dfrac13\Big(\dfrac92+\dfrac{2k}\pi\Big)=\dfrac52 3 1 ( 2 9 + π 2 k ) = 2 5 ,2 k π = 3 \dfrac{2k}\pi=3 π 2 k = 3 ,k = 3 π 2 k=\dfrac{3\pi}2 k = 2 3 π 。
关于 k k k 的一次方程,移项解出即可。
答案:3 π 2 \frac{3\pi}2 2 3 π
例 3.21 2026 数二(15)
f ( x ) = ln ( 2 + x ) f(x)=\ln(2+x) f ( x ) = ln ( 2 + x ) 在
[ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上的平均值为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出平均值。 f ˉ = 1 2 ∫ 0 2 ln ( 2 + x ) d x \bar f=\dfrac12\int_0^2\ln(2+x)\dx f ˉ = 2 1 ∫ 0 2 ln ( 2 + x ) d x 。
平均值 = 积分 ÷ 区间长度,这里区间 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 长度为 2。
② 分部积分(或令 u = 2 + x u=2+x u = 2 + x )。 ∫ 0 2 ln ( 2 + x ) d x = [ ( 2 + x ) ln ( 2 + x ) − ( 2 + x ) ] 0 2 = ( 4 ln 4 − 4 ) − ( 2 ln 2 − 2 ) = 6 ln 2 − 2 \int_0^2\ln(2+x)\dx=\big[(2+x)\ln(2+x)-(2+x)\big]_0^2=(4\ln4-4)-(2\ln2-2)=6\ln2-2 ∫ 0 2 ln ( 2 + x ) d x = [ ( 2 + x ) ln ( 2 + x ) − ( 2 + x ) ] 0 2 = ( 4 ln 4 − 4 ) − ( 2 ln 2 − 2 ) = 6 ln 2 − 2 。
∫ ln u d u = u ln u − u \int\ln u\du=u\ln u-u ∫ ln u d u = u ln u − u (A.1 节验证过)。
③ 除以 2。 f ˉ = 3 ln 2 − 1 \bar f=3\ln2-1 f ˉ = 3 ln 2 − 1 。
约 1.08,介于 ln 2 ≈ 0.69 \ln2\approx0.69 ln 2 ≈ 0.69 与 ln 4 ≈ 1.39 \ln4\approx1.39 ln 4 ≈ 1.39 之间,合理。
答案:3 ln 2 − 1 3\ln2-1 3 ln 2 − 1
例 3.22 2026 数三(4)
设
t t t 时刻某证券的交易单价为
p ( t ) p(t) p ( t ) ,某机构持有该证券的份额为
q ( t ) q(t) q ( t ) 。若该机构在
t ∈ [ 0 , T ] t\in[0,T] t ∈ [ 0 , T ] 持续购入一定份额该证券,则这些证券的平均购入价格为( )
(A)
1 T ∫ 0 T p ( t ) d t \dfrac1T\int_0^Tp(t)\dt T 1 ∫ 0 T p ( t ) d t (B)
1 q ( T ) − q ( 0 ) ∫ 0 T p ( t ) d t \dfrac1{q(T)-q(0)}\int_0^Tp(t)\dt q ( T ) − q ( 0 ) 1 ∫ 0 T p ( t ) d t (C)
1 T ∫ 0 T p ( t ) q ′ ( t ) d t \dfrac1T\int_0^Tp(t)q'(t)\dt T 1 ∫ 0 T p ( t ) q ′ ( t ) d t (D)
1 q ( T ) − q ( 0 ) ∫ 0 T p ( t ) q ′ ( t ) d t \dfrac1{q(T)-q(0)}\int_0^Tp(t)q'(t)\dt q ( T ) − q ( 0 ) 1 ∫ 0 T p ( t ) q ′ ( t ) d t
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 小段时间里的花费。 [ t , t + d t ] [t,t+\dd t] [ t , t + d t ] 内买入 d q = q ′ ( t ) d t \dd q=q'(t)\dt d q = q ′ ( t ) d t 份,单价约 p ( t ) p(t) p ( t ) ,花费 p ( t ) q ′ ( t ) d t p(t)q'(t)\dt p ( t ) q ′ ( t ) d t 。总花费 ∫ 0 T p ( t ) q ′ ( t ) d t \int_0^Tp(t)q'(t)\dt ∫ 0 T p ( t ) q ′ ( t ) d t 。
微元法:小段上把价格看成常数。
② 平均价格 = 总花费 ÷ 总份额。 总份额 q ( T ) − q ( 0 ) q(T)-q(0) q ( T ) − q ( 0 ) ,所以平均价格 = ∫ 0 T p q ′ d t q ( T ) − q ( 0 ) =\dfrac{\int_0^Tp\,q'\dt}{q(T)-q(0)} = q ( T ) − q ( 0 ) ∫ 0 T p q ′ d t ,所以选(D)。
这是以买入量为权重的加权平均;(A)是对时间的平均,买得多的时段和买得少的时段被同等对待,不对。
答案:D
3.7 小结
题目里的说法 换成什么 例子
用定义算定积分 等分、右端点、求和公式、取极限 例 3.1
“可积”“有原函数” 可积看有界 + 间断点有限;原函数看有无第一类间断点 例 3.2
a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 、2 a x − x 2 \sqrt{2ax-x^2} 2 a x − x 2 、∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 的积分画图,用面积 例 3.3 、例 3.4
证明 A < ∫ f < B A<\int f<B A < ∫ f < B 单调性求最值,估值 例 3.5
lim ∫ 0 1 f n \lim\int_0^1f_n lim ∫ 0 1 f n 积不出来放缩被积函数,夹逼 例 3.6
∫ 0 1 f = 0 \int_0^1f=0 ∫ 0 1 f = 0 ,问 f ( 1 2 ) f(\frac12) f ( 2 1 ) 的符号在 1 2 \frac12 2 1 处泰勒展开再积分 例 3.7
同区间比大小 比较被积函数(必要时构造函数求导) 例 3.8 、例 3.11
∫ 0 k π \int_0^{k\pi} ∫ 0 kπ 比大小看多出来的段,平移比较绝对值 例 3.9
对称区间比大小 去掉奇函数,与常数比 例 3.10
f ′ ′ > 0 f''>0 f ′′ > 0 加几个点的值凹函数在弦下方 例 3.12
lim ∑ \lim\sum lim ∑ 含 k n \frac kn n k 凑 1 n f ( k n ) \frac1nf(\frac kn) n 1 f ( n k ) ,化成 ∫ 0 1 f \int_0^1f ∫ 0 1 f 例 3.13 、例 3.15
和式凑不整齐 放缩成两个能凑的和,夹逼 例 3.18
辨认哪个和式是 ∫ 0 1 f \int_0^1f ∫ 0 1 f 宽度 = 1 份数 \frac1{\text{份数}} 份数 1 ;代 f ≡ 1 f\equiv1 f ≡ 1 检验 例 3.14
速度曲线、追及 曲线间面积 = 距离差,别忘初始距离 例 3.19
平均值、平均价格 1 b − a ∫ \frac1{b-a}\int b − a 1 ∫ ;加权平均除以总权重例 3.21 、例 3.22
学完了,标记这一部分
第 4 部分
定积分的计算
定积分的计算方法和不定积分相同,多出来的是上下限带来的技巧:换元换限、分部的边界项、对称区间、周期、区间再现、华里士公式、递推。
考试要求(大纲原文,李林讲义第六章第 3、4 条)
掌握定积分的换元积分法与分部积分法。
会求有理函数、三角函数有理式和简单无理函数的定积分。
对应李林讲义第六章第一节题型二至题型七(p132—140)。数一几乎每年都有一道“算一个定积分”的填空题(2010、2012、2015、2018、2022、2023),2019 年还出过一道递推的解答题。方法和不定积分一样,多出来的是“上下限”带来的技巧:换元换限、对称、周期、区间再现、华里士公式。
4.1 换元必换限
大白话:定积分换元时,把上下限一起换成新变量的上下限,算完直接代新的上下限,不用再换回原来的变量 。凑微分如果没有写出新字母,上下限就不用换。
x y π² y =√x cos √x 带符号面积 −4π t y π y =2t ² cos t 带符号面积 −4π x =t ²2010 数一(10):令 x = t 2 x=t^2 x = t 2 ,x x x 从 0 到 π 2 \pi^2 π 2 对应 t t t 从 0 到 π \pi π ;换元后被积函数变了、区间也变了,但带符号的面积不变。
定积分换元公式
∫ a b f ( x ) d x = ∫ α β f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) d t , \displaystyle \int_a^bf(x)\dx=\int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\,\varphi'(t)\dt, ∫ a b f ( x ) d x = ∫ α β f ( φ ( t )) φ ′ ( t ) d t , φ ( α ) = a , φ ( β ) = b . \displaystyle \varphi(\alpha)=a,\ \varphi(\beta)=b. φ ( α ) = a , φ ( β ) = b .
要求 φ \varphi φ 在 [ α , β ] [\alpha,\beta] [ α , β ] (或 [ β , α ] [\beta,\alpha] [ β , α ] )上有连续导数,取值不跑出 f f f 的定义区间。新下限可以比新上限大,照写不误(如 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 )。
方法卡 · 定积分换元
什么时候用
被积函数用不定积分的换元法能积出来(根式、三角代换、凑微分)。
步骤
写出代换 x = φ ( t ) x=\varphi(t) x = φ ( t ) 或 t = ψ ( x ) t=\psi(x) t = ψ ( x ) ,算 d x \dd x d x 。
用 x = a x=a x = a 、x = b x=b x = b 算出 t t t 的上下限(三角代换要让 t t t 落在规定的范围内)。
换被积函数和上下限,积分,直接代新上下限。
最容易错
换了变量没换限;三角代换时
t t t 取错区间,开方符号错(如
x = sec t x=\sec t x = sec t 、
x < 0 x<0 x < 0 时
tan t < 0 \tan t<0 tan t < 0 )。
例 4.1 2010 数一(10)
∫ 0 π 2 x cos x d x = \int_0^{\pi^2}\sqrt x\cos\sqrt x\dx= ∫ 0 π 2 x cos x d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 根式代换,同时换限。 令 t = x t=\sqrt x t = x ,x = t 2 x=t^2 x = t 2 ,d x = 2 t d t \dd x=2t\dt d x = 2 t d t ;x = 0 → t = 0 x=0\to t=0 x = 0 → t = 0 ,x = π 2 → t = π x=\pi^2\to t=\pi x = π 2 → t = π 。原式 = ∫ 0 π 2 t 2 cos t d t =\int_0^\pi2t^2\cos t\dt = ∫ 0 π 2 t 2 cos t d t 。
被积函数里的 x \sqrt x x 出现两次,整个换掉;上下限跟着换。
② 分部积分(表格法)。 ∫ t 2 cos t d t = t 2 sin t + 2 t cos t − 2 sin t \int t^2\cos t\dt=t^2\sin t+2t\cos t-2\sin t ∫ t 2 cos t d t = t 2 sin t + 2 t cos t − 2 sin t 。
多项式乘三角函数,多项式当 u u u ,求导两次到常数(例 2.15 )。
③ 代新上下限。 原式 = 2 [ t 2 sin t + 2 t cos t − 2 sin t ] 0 π = 2 ( 0 − 2 π − 0 ) = − 4 π =2\big[t^2\sin t+2t\cos t-2\sin t\big]_0^\pi=2(0-2\pi-0)=-4\pi = 2 [ t 2 sin t + 2 t cos t − 2 sin t ] 0 π = 2 ( 0 − 2 π − 0 ) = − 4 π 。
sin π = 0 \sin\pi=0 sin π = 0 ,cos π = − 1 \cos\pi=-1 cos π = − 1 ;下限代入全是 0。
答案:− 4 π -4\pi − 4 π
例 4.2 2025 数一(17)
计算
∫ 0 1 d x ( x + 1 ) ( x 2 − 2 x + 2 ) \int_0^1\dfrac{\dx}{(x+1)(x^2-2x+2)} ∫ 0 1 ( x + 1 ) ( x 2 − 2 x + 2 ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 部分分式。 设 1 ( x + 1 ) ( x 2 − 2 x + 2 ) = A x + 1 + B x + C x 2 − 2 x + 2 \dfrac1{(x+1)(x^2-2x+2)}=\dfrac A{x+1}+\dfrac{Bx+C}{x^2-2x+2} ( x + 1 ) ( x 2 − 2 x + 2 ) 1 = x + 1 A + x 2 − 2 x + 2 B x + C 。令 x = − 1 x=-1 x = − 1 :1 = 5 A 1=5A 1 = 5 A ,A = 1 5 A=\frac15 A = 5 1 ;比较 x 2 x^2 x 2 系数 0 = A + B 0=A+B 0 = A + B ,B = − 1 5 B=-\frac15 B = − 5 1 ;比较常数项 1 = 2 A + C 1=2A+C 1 = 2 A + C ,C = 3 5 C=\frac35 C = 5 3 。
有理函数的标准做法(2.5 节);分母的二次因式判别式 4 − 8 < 0 4-8<0 4 − 8 < 0 ,不能再分解。
② 二次因式那一项拆成“导数 + 常数”。 − 1 5 x + 3 5 x 2 − 2 x + 2 = − 1 10 ⋅ 2 x − 2 x 2 − 2 x + 2 + 2 5 ⋅ 1 ( x − 1 ) 2 + 1 \dfrac{-\frac15x+\frac35}{x^2-2x+2}=-\dfrac1{10}\cdot\dfrac{2x-2}{x^2-2x+2}+\dfrac25\cdot\dfrac1{(x-1)^2+1} x 2 − 2 x + 2 − 5 1 x + 5 3 = − 10 1 ⋅ x 2 − 2 x + 2 2 x − 2 + 5 2 ⋅ ( x − 1 ) 2 + 1 1 。
先求分母的导数 2 x − 2 2x-2 2 x − 2 ,再把分子写成“它的倍数 + 常数”:比较 x x x 的系数得倍数 − 1 10 -\frac1{10} − 10 1 ,剩下的常数是 2 5 \frac25 5 2 。
③ 逐项积分代限。 1 5 ln ( x + 1 ) ∣ 0 1 = 1 5 ln 2 \dfrac15\ln(x+1)\Big|_0^1=\dfrac15\ln2 5 1 ln ( x + 1 ) 0 1 = 5 1 ln 2 ;− 1 10 ln ( x 2 − 2 x + 2 ) ∣ 0 1 = − 1 10 ( 0 − ln 2 ) = 1 10 ln 2 -\dfrac1{10}\ln(x^2-2x+2)\Big|_0^1=-\dfrac1{10}(0-\ln2)=\dfrac1{10}\ln2 − 10 1 ln ( x 2 − 2 x + 2 ) 0 1 = − 10 1 ( 0 − ln 2 ) = 10 1 ln 2 ;2 5 arctan ( x − 1 ) ∣ 0 1 = 2 5 ⋅ π 4 = π 10 \dfrac25\arctan(x-1)\Big|_0^1=\dfrac25\cdot\dfrac\pi4=\dfrac\pi{10} 5 2 arctan ( x − 1 ) 0 1 = 5 2 ⋅ 4 π = 10 π 。
三项分别是 ln、ln、arctan;arctan 0 − arctan ( − 1 ) = π 4 \arctan0-\arctan(-1)=\frac\pi4 arctan 0 − arctan ( − 1 ) = 4 π 。
答案:3 10 ln 2 + π 10 \frac3{10}\ln2+\frac\pi{10} 10 3 ln 2 + 10 π
例 4.3 2020 数二(3)
∫ 0 1 arcsin x x ( 1 − x ) d x = \int_0^1\dfrac{\arcsin\sqrt x}{\sqrt{x(1-x)}}\dx= ∫ 0 1 x ( 1 − x ) arcsin x d x = ( )
(A)
π 2 4 \dfrac{\pi^2}4 4 π 2 (B)
π 2 8 \dfrac{\pi^2}8 8 π 2 (C)
π 4 \dfrac\pi4 4 π (D)
π 8 \dfrac\pi8 8 π
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求 arcsin x \arcsin\sqrt x arcsin x 的导数。 ( arcsin x ) ′ = 1 1 − x ⋅ 1 2 x = 1 2 x ( 1 − x ) (\arcsin\sqrt x)'=\dfrac1{\sqrt{1-x}}\cdot\dfrac1{2\sqrt x}=\dfrac1{2\sqrt{x(1-x)}} ( arcsin x ) ′ = 1 − x 1 ⋅ 2 x 1 = 2 x ( 1 − x ) 1 。
被积函数里有反三角,先求它的导数,看剩下的因子是不是它(A.2 节例题算过)。
② 凑微分,不换限。 原式 = 2 ∫ 0 1 arcsin x d ( arcsin x ) = ( arcsin x ) 2 ∣ 0 1 = ( π 2 ) 2 = π 2 4 =2\int_0^1\arcsin\sqrt x\,\dd(\arcsin\sqrt x)=\big(\arcsin\sqrt x\big)^2\Big|_0^1=\Big(\dfrac\pi2\Big)^2=\dfrac{\pi^2}4 = 2 ∫ 0 1 arcsin x d ( arcsin x ) = ( arcsin x ) 2 0 1 = ( 2 π ) 2 = 4 π 2 。所以选(A)。
没有写出新字母,积分变量仍是 x x x ,所以上下限仍是 0 和 1。这是一个反常积分(两端无界),但原函数在两端有极限,直接代即可(第 6 部分)。
答案:A
例 4.4 2022 数二(13)
∫ 0 1 2 x + 3 x 2 − x + 1 d x = \int_0^1\dfrac{2x+3}{x^2-x+1}\dx= ∫ 0 1 x 2 − x + 1 2 x + 3 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分子拆成“分母的导数 + 常数”。 ( x 2 − x + 1 ) ′ = 2 x − 1 (x^2-x+1)'=2x-1 ( x 2 − x + 1 ) ′ = 2 x − 1 ,2 x + 3 = ( 2 x − 1 ) + 4 2x+3=(2x-1)+4 2 x + 3 = ( 2 x − 1 ) + 4 。
分母不能分解(判别式 < 0 <0 < 0 ),用 2.5 节的拆法。
② 第一部分。 ∫ 0 1 2 x − 1 x 2 − x + 1 d x = ln ( x 2 − x + 1 ) ∣ 0 1 = ln 1 − ln 1 = 0 \int_0^1\dfrac{2x-1}{x^2-x+1}\dx=\ln(x^2-x+1)\Big|_0^1=\ln1-\ln1=0 ∫ 0 1 x 2 − x + 1 2 x − 1 d x = ln ( x 2 − x + 1 ) 0 1 = ln 1 − ln 1 = 0 。
分子是分母的导数,原函数是 ln \ln ln 。
③ 第二部分配方。 4 ∫ 0 1 d x ( x − 1 2 ) 2 + 3 4 = 4 ⋅ 2 3 arctan 2 x − 1 3 ∣ 0 1 = 8 3 ( π 6 + π 6 ) = 8 3 π 9 4\int_0^1\dfrac{\dx}{(x-\frac12)^2+\frac34}=4\cdot\dfrac2{\sqrt3}\arctan\dfrac{2x-1}{\sqrt3}\Big|_0^1=\dfrac8{\sqrt3}\Big(\dfrac\pi6+\dfrac\pi6\Big)=\dfrac{8\sqrt3\pi}9 4 ∫ 0 1 ( x − 2 1 ) 2 + 4 3 d x = 4 ⋅ 3 2 arctan 3 2 x − 1 0 1 = 3 8 ( 6 π + 6 π ) = 9 8 3 π 。
特殊角:tan π 6 = 1 3 \tan\frac\pi6=\frac1{\sqrt3} tan 6 π = 3 1 ,所以 arctan 1 3 = π 6 \arctan\frac1{\sqrt3}=\frac\pi6 arctan 3 1 = 6 π ;下限 x = 0 x=0 x = 0 代入是 arctan ( − 1 3 ) = − π 6 \arctan\big(-\frac1{\sqrt3}\big)=-\frac\pi6 arctan ( − 3 1 ) = − 6 π ,相减得 π 3 \frac\pi3 3 π 。
答案:8 3 π 9 \frac{8\sqrt3\pi}9 9 8 3 π
例 4.5 2022 数三(12)
∫ 0 2 2 x − 4 x 2 + 2 x + 4 d x = \int_0^2\dfrac{2x-4}{x^2+2x+4}\dx= ∫ 0 2 x 2 + 2 x + 4 2 x − 4 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分子拆开。 ( x 2 + 2 x + 4 ) ′ = 2 x + 2 (x^2+2x+4)'=2x+2 ( x 2 + 2 x + 4 ) ′ = 2 x + 2 ,2 x − 4 = ( 2 x + 2 ) − 6 2x-4=(2x+2)-6 2 x − 4 = ( 2 x + 2 ) − 6 。
和上一题(2022 数二(13))一样:把分子凑成“分母的导数 + 常数”。分母的导数是 2 x + 2 2x+2 2 x + 2 ,2 x − 4 2x-4 2 x − 4 比它少 6,所以写成 ( 2 x + 2 ) − 6 (2x+2)-6 ( 2 x + 2 ) − 6 ,前一项积出 ln \ln ln ,后一项积出 arctan \arctan arctan 。
② 两部分分别积分。 ln ( x 2 + 2 x + 4 ) ∣ 0 2 = ln 12 − ln 4 = ln 3 \ln(x^2+2x+4)\Big|_0^2=\ln12-\ln4=\ln3 ln ( x 2 + 2 x + 4 ) 0 2 = ln 12 − ln 4 = ln 3 ;− 6 ∫ 0 2 d x ( x + 1 ) 2 + 3 = − 6 3 arctan x + 1 3 ∣ 0 2 = − 2 3 ( π 3 − π 6 ) = − 3 π 3 -6\int_0^2\dfrac{\dx}{(x+1)^2+3}=-\dfrac6{\sqrt3}\arctan\dfrac{x+1}{\sqrt3}\Big|_0^2=-2\sqrt3\Big(\dfrac\pi3-\dfrac\pi6\Big)=-\dfrac{\sqrt3\pi}3 − 6 ∫ 0 2 ( x + 1 ) 2 + 3 d x = − 3 6 arctan 3 x + 1 0 2 = − 2 3 ( 3 π − 6 π ) = − 3 3 π 。
特殊角:tan π 3 = 3 \tan\frac\pi3=\sqrt3 tan 3 π = 3 ,tan π 6 = 1 3 \tan\frac\pi6=\frac1{\sqrt3} tan 6 π = 3 1 ,所以上下限代入分别得 π 3 \frac\pi3 3 π 和 π 6 \frac\pi6 6 π 。
答案:ln 3 − 3 3 π \ln3-\frac{\sqrt3}3\pi ln 3 − 3 3 π
例 4.6 李林 第六章 §1 例 2(1)(3)(4) · p132—133
计算:(1)
∫ − 2 − 2 d x x 2 − 1 \int_{-2}^{-\sqrt2}\dfrac{\dx}{\sqrt{x^2-1}} ∫ − 2 − 2 x 2 − 1 d x ;(2)
∫ 0 1 x 2 arcsin x 1 − x 2 d x \int_0^1\dfrac{x^2\arcsin x}{\sqrt{1-x^2}}\dx ∫ 0 1 1 − x 2 x 2 arcsin x d x ;(3)
∫ 0 3 arcsin x 1 + x d x \int_0^3\arcsin\sqrt{\dfrac x{1+x}}\dx ∫ 0 3 arcsin 1 + x x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 用积分表第 12 条,注意 x < 0 x<0 x < 0 。 原函数 ln ∣ x + x 2 − 1 ∣ \ln\big|x+\sqrt{x^2-1}\big| ln x + x 2 − 1 。原式 = ln ∣ − 2 + 1 ∣ − ln ∣ − 2 + 3 ∣ = ln 2 − 1 2 − 3 = ln 2 + 3 1 + 2 =\ln\big|-\sqrt2+1\big|-\ln\big|-2+\sqrt3\big|=\ln\dfrac{\sqrt2-1}{2-\sqrt3}=\ln\dfrac{2+\sqrt3}{1+\sqrt2} = ln − 2 + 1 − ln − 2 + 3 = ln 2 − 3 2 − 1 = ln 1 + 2 2 + 3 。
x < 0 x<0 x < 0 时 x + x 2 − 1 < 0 x+\sqrt{x^2-1}<0 x + x 2 − 1 < 0 ,绝对值不能丢;最后分母有理化:1 2 − 3 = 2 + 3 \frac1{2-\sqrt3}=2+\sqrt3 2 − 3 1 = 2 + 3 ,2 − 1 = 1 2 + 1 \sqrt2-1=\frac1{\sqrt2+1} 2 − 1 = 2 + 1 1 。李林用 x = sec t x=\sec t x = sec t (t ∈ [ 2 π 3 , 3 π 4 ] t\in[\frac{2\pi}3,\frac{3\pi}4] t ∈ [ 3 2 π , 4 3 π ] ,tan t < 0 \tan t<0 tan t < 0 )得到同样结果。
② (2) 令 x = sin t x=\sin t x = sin t 。 x : 0 → 1 x:0\to1 x : 0 → 1 对应 t : 0 → π 2 t:0\to\frac\pi2 t : 0 → 2 π ,原式 = ∫ 0 π / 2 t sin 2 t d t = ∫ 0 π / 2 t 2 d t − 1 2 ∫ 0 π / 2 t cos 2 t d t =\int_0^{\pi/2}t\sin^2t\dt=\int_0^{\pi/2}\dfrac t2\dt-\dfrac12\int_0^{\pi/2}t\cos2t\dt = ∫ 0 π /2 t sin 2 t d t = ∫ 0 π /2 2 t d t − 2 1 ∫ 0 π /2 t cos 2 t d t 。
d x 1 − x 2 = d t \frac{\dx}{\sqrt{1-x^2}}=\dt 1 − x 2 d x = d t ,arcsin x = t \arcsin x=t arcsin x = t ,根号和反三角一起消掉。
③ (2) 分部。 ∫ 0 π / 2 t 2 d t = π 2 16 \int_0^{\pi/2}\dfrac t2\dt=\dfrac{\pi^2}{16} ∫ 0 π /2 2 t d t = 16 π 2 ;∫ 0 π / 2 t cos 2 t d t = [ t sin 2 t 2 + cos 2 t 4 ] 0 π / 2 = − 1 2 \int_0^{\pi/2}t\cos2t\dt=\Big[\dfrac{t\sin2t}2+\dfrac{\cos2t}4\Big]_0^{\pi/2}=-\dfrac12 ∫ 0 π /2 t cos 2 t d t = [ 2 t sin 2 t + 4 cos 2 t ] 0 π /2 = − 2 1 。原式 = π 2 16 + 1 4 =\dfrac{\pi^2}{16}+\dfrac14 = 16 π 2 + 4 1 。
t cos 2 t t\cos2t t cos 2 t 是“幂 × 三角”,幂当 u u u 分部;代上下限时 sin π = sin 0 = 0 \sin\pi=\sin0=0 sin π = sin 0 = 0 ,cos π = − 1 \cos\pi=-1 cos π = − 1 ,cos 0 = 1 \cos0=1 cos 0 = 1 。
④ (3) 令 t = arcsin x 1 + x t=\arcsin\sqrt{\frac x{1+x}} t = arcsin 1 + x x ,反解 x x x 。 sin 2 t = x 1 + x \sin^2t=\dfrac x{1+x} sin 2 t = 1 + x x ,x = tan 2 t x=\tan^2t x = tan 2 t ;x : 0 → 3 x:0\to3 x : 0 → 3 对应 t : 0 → π 3 t:0\to\frac\pi3 t : 0 → 3 π 。原式 = ∫ 0 π / 3 t d ( tan 2 t ) = t tan 2 t ∣ 0 π / 3 − ∫ 0 π / 3 tan 2 t d t =\int_0^{\pi/3}t\,\dd(\tan^2t)=t\tan^2t\Big|_0^{\pi/3}-\int_0^{\pi/3}\tan^2t\dt = ∫ 0 π /3 t d ( tan 2 t ) = t tan 2 t 0 π /3 − ∫ 0 π /3 tan 2 t d t 。
被积函数整个是反三角,就把它设成 t t t ,这样被积函数变成 t t t ,再分部。
⑤ (3) 算完。 = π 3 ⋅ 3 − [ tan t − t ] 0 π / 3 = π − 3 + π 3 = 4 π 3 − 3 =\dfrac\pi3\cdot3-\big[\tan t-t\big]_0^{\pi/3}=\pi-\sqrt3+\dfrac\pi3=\dfrac{4\pi}3-\sqrt3 = 3 π ⋅ 3 − [ tan t − t ] 0 π /3 = π − 3 + 3 π = 3 4 π − 3 。
由平方关系 1 + tan 2 t = sec 2 t 1+\tan^2t=\sec^2t 1 + tan 2 t = sec 2 t 得 tan 2 t = sec 2 t − 1 \tan^2t=\sec^2t-1 tan 2 t = sec 2 t − 1 ,而 sec 2 t \sec^2t sec 2 t 的原函数是 tan t \tan t tan t ,所以 ∫ tan 2 t d t = tan t − t \int\tan^2t\dt=\tan t-t ∫ tan 2 t d t = tan t − t 。
答案:(1) ln 2 + 3 1 + 2 \ln\frac{2+\sqrt3}{1+\sqrt2} ln 1 + 2 2 + 3 ;(2) π 2 16 + 1 4 \frac{\pi^2}{16}+\frac14 16 π 2 + 4 1 ;(3) 4 π 3 − 3 \frac{4\pi}3-\sqrt3 3 4 π − 3
4.2 分部积分:边界项先算掉
大白话:定积分的分部积分公式多了一个“边界项” u v ∣ a b uv\big|_a^b uv a b ,它是一个数,先算出来;剩下的积分往往更简单 。被积函数里有抽象的 f ′ ′ f'' f ′′ 、f ′ f' f ′ ,或者有变限积分,都是分部积分的信号。
x y O y =2x y =f (x )相切于 (1,2) 过 (0,0) 1 2018 数一(10):条件翻译成三个数 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 、f ( 1 ) = 2 f(1)=2 f ( 1 ) = 2 、f ′ ( 1 ) = 2 ln 2 f'(1)=2\ln2 f ′ ( 1 ) = 2 ln 2 ;∫ 0 1 x f ′ ′ d x \int_0^1xf''\dx ∫ 0 1 x f ′′ d x 分部后只用到这三个数。
定积分分部公式
∫ a b u d v = u v ∣ a b − ∫ a b v d u . \displaystyle \int_a^bu\,\dd v=uv\Big|_a^b-\int_a^bv\,\dd u. ∫ a b u d v = uv a b − ∫ a b v d u .
含 f ′ ′ ( x ) f''(x) f ′′ ( x ) :∫ a b x f ′ ′ ( x ) d x = [ x f ′ ( x ) ] a b − [ f ( b ) − f ( a ) ] \int_a^bxf''(x)\dx=\big[xf'(x)\big]_a^b-\big[f(b)-f(a)\big] ∫ a b x f ′′ ( x ) d x = [ x f ′ ( x ) ] a b − [ f ( b ) − f ( a ) ] 。
技巧:v v v 可以加一个常数,让边界项在某一端为 0,如 ∫ 0 1 f ( x ) d x = [ ( x − 1 ) f ( x ) ] 0 1 − ∫ 0 1 ( x − 1 ) f ′ ( x ) d x \int_0^1f(x)\dx=\big[(x-1)f(x)\big]_0^1-\int_0^1(x-1)f'(x)\dx ∫ 0 1 f ( x ) d x = [ ( x − 1 ) f ( x ) ] 0 1 − ∫ 0 1 ( x − 1 ) f ′ ( x ) d x 。
方法卡 · 定积分分部
什么时候用
被积函数是两类函数的乘积;或含
f ′ f' f ′ 、
f ′ ′ f'' f ′′ 、变限积分;或只知道
f ′ f' f ′ 的表达式要求
∫ f \int f ∫ f 。
步骤
选 u u u 、d v \dd v d v (反对幂指三;抽象导数放进 d v \dd v d v )。
先算边界项 u v ∣ a b uv\big|_a^b uv a b ,用题目给的函数值、导数值。
再算剩下的积分。
最容易错
边界项代错端点、漏了负号;题目条件(切线、过某点)没翻译成
f ( a ) f(a) f ( a ) 、
f ′ ( a ) f'(a) f ′ ( a ) 就开始算。
例 4.7 2018 数一(10)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 具有 2 阶连续导数。若曲线
y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 过点
( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 且与曲线
y = 2 x y=2^x y = 2 x 在点
( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) 处相切,则
∫ 0 1 x f ′ ′ ( x ) d x = \int_0^1xf''(x)\dx= ∫ 0 1 x f ′′ ( x ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 翻译条件。 过 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) :f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ;过 ( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) :f ( 1 ) = 2 f(1)=2 f ( 1 ) = 2 ;在 ( 1 , 2 ) (1,2) ( 1 , 2 ) 处与 y = 2 x y=2^x y = 2 x 相切:f ′ ( 1 ) = ( 2 x ) ′ ∣ x = 1 = 2 ln 2 f'(1)=(2^x)'\big|_{x=1}=2\ln2 f ′ ( 1 ) = ( 2 x ) ′ x = 1 = 2 ln 2 。
“相切”= 同一点、同一斜率。
② 分部积分。 ∫ 0 1 x d f ′ ( x ) = x f ′ ( x ) ∣ 0 1 − ∫ 0 1 f ′ ( x ) d x = f ′ ( 1 ) − [ f ( 1 ) − f ( 0 ) ] \int_0^1x\,\dd f'(x)=xf'(x)\Big|_0^1-\int_0^1f'(x)\dx=f'(1)-\big[f(1)-f(0)\big] ∫ 0 1 x d f ′ ( x ) = x f ′ ( x ) 0 1 − ∫ 0 1 f ′ ( x ) d x = f ′ ( 1 ) − [ f ( 1 ) − f ( 0 ) ] 。
f ′ ′ f'' f ′′ 放进 d v \dd v d v ,u = x u=x u = x ;边界项在 0 处为 0。
③ 代入。 = 2 ln 2 − ( 2 − 0 ) = 2 ln 2 − 2 =2\ln2-(2-0)=2\ln2-2 = 2 ln 2 − ( 2 − 0 ) = 2 ln 2 − 2 。
分部后的式子只用到三个数:f ′ ( 1 ) = 2 ln 2 f'(1)=2\ln2 f ′ ( 1 ) = 2 ln 2 、f ( 1 ) = 2 f(1)=2 f ( 1 ) = 2 、f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,都是第①步从题目条件里读出来的,直接代入。
答案:2 ln 2 − 2 2\ln2-2 2 ln 2 − 2
例 4.8 2022 数一(12)
∫ 1 e 2 ln x x d x = \int_1^{\e^2}\dfrac{\ln x}{\sqrt x}\dx= ∫ 1 e 2 x ln x d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 对数当 u u u 。 d x x = d ( 2 x ) \dfrac{\dx}{\sqrt x}=\dd(2\sqrt x) x d x = d ( 2 x ) ,原式 = 2 x ln x ∣ 1 e 2 − ∫ 1 e 2 2 x ⋅ 1 x d x =2\sqrt x\ln x\Big|_1^{\e^2}-\int_1^{\e^2}2\sqrt x\cdot\dfrac1x\dx = 2 x ln x 1 e 2 − ∫ 1 e 2 2 x ⋅ x 1 d x 。
“对”排在“幂”前面。
② 边界项与剩下的积分。 2 x ln x ∣ 1 e 2 = 2 e ⋅ 2 − 0 = 4 e 2\sqrt x\ln x\Big|_1^{\e^2}=2\e\cdot2-0=4\e 2 x ln x 1 e 2 = 2 e ⋅ 2 − 0 = 4 e ;∫ 1 e 2 2 x d x = 4 x ∣ 1 e 2 = 4 e − 4 \int_1^{\e^2}\dfrac2{\sqrt x}\dx=4\sqrt x\Big|_1^{\e^2}=4\e-4 ∫ 1 e 2 x 2 d x = 4 x 1 e 2 = 4 e − 4 。
代上限:e 2 = e \sqrt{\e^2}=\e e 2 = e ,ln e 2 = 2 \ln\e^2=2 ln e 2 = 2 (对数和指数互为反函数);代下限 x = 1 x=1 x = 1 :ln 1 = 0 \ln1=0 ln 1 = 0 ,那一项为 0。
③ 相减。 原式 = 4 e − ( 4 e − 4 ) = 4 =4\e-(4\e-4)=4 = 4 e − ( 4 e − 4 ) = 4 。
边界项与后面的积分里的 4 e 4\e 4 e 抵消。
答案:4
例 4.9 2014 数三(11)
设
∫ 0 a x e 2 x d x = 1 4 \int_0^ax\e^{2x}\dx=\dfrac14 ∫ 0 a x e 2 x d x = 4 1 ,则
a = a= a = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部求原函数。 ∫ x e 2 x d x = x 2 e 2 x − 1 4 e 2 x \int x\e^{2x}\dx=\dfrac x2\e^{2x}-\dfrac14\e^{2x} ∫ x e 2 x d x = 2 x e 2 x − 4 1 e 2 x 。
“幂 × 指”相乘,幂函数 x x x 排在前面当 u u u ,求导后变成 1,剩下的只有指数函数,能直接积。
② 代限列方程。 ( a 2 − 1 4 ) e 2 a + 1 4 = 1 4 \Big(\dfrac a2-\dfrac14\Big)\e^{2a}+\dfrac14=\dfrac14 ( 2 a − 4 1 ) e 2 a + 4 1 = 4 1 ,即 ( a 2 − 1 4 ) e 2 a = 0 \Big(\dfrac a2-\dfrac14\Big)\e^{2a}=0 ( 2 a − 4 1 ) e 2 a = 0 。
下限 0 代入得 − 1 4 -\frac14 − 4 1 ,前面是减号,所以 + 1 4 +\frac14 + 4 1 。
③ 解。 e 2 a ≠ 0 \e^{2a}\ne0 e 2 a = 0 ,所以 a = 1 2 a=\dfrac12 a = 2 1 。
指数函数恒正,乘积为 0 只能是另一个因子为 0。
答案:1 2 \frac12 2 1
例 4.10 李林 第六章 §1 例 5、例 6 · p134
(1)设
y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 过原点,
f ′ ′ f'' f ′′ 连续,曲线在点
( 2 , 4 ) (2,4) ( 2 , 4 ) 处的切线为
y = 5 x − 6 y=5x-6 y = 5 x − 6 ,求
∫ 0 2 x f ′ ′ ( x ) d x \int_0^2xf''(x)\dx ∫ 0 2 x f ′′ ( x ) d x 。(2)设
f ′ ( x ) = arcsin ( x − 1 ) 2 f'(x)=\arcsin(x-1)^2 f ′ ( x ) = arcsin ( x − 1 ) 2 ,
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,求
∫ 0 1 f ( x ) d x \int_0^1f(x)\dx ∫ 0 1 f ( x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 翻译条件,分部。 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,f ( 2 ) = 4 f(2)=4 f ( 2 ) = 4 ,f ′ ( 2 ) = 5 f'(2)=5 f ′ ( 2 ) = 5 。∫ 0 2 x f ′ ′ d x = x f ′ ∣ 0 2 − ∫ 0 2 f ′ d x = 2 ⋅ 5 − ( 4 − 0 ) = 6 \int_0^2xf''\dx=xf'\Big|_0^2-\int_0^2f'\dx=2\cdot5-(4-0)=6 ∫ 0 2 x f ′′ d x = x f ′ 0 2 − ∫ 0 2 f ′ d x = 2 ⋅ 5 − ( 4 − 0 ) = 6 。
与 2018 数一(10) 同一套路:切线给出函数值和导数值。
② (2) 只知道 f ′ f' f ′ ,用分部把 ∫ f \int f ∫ f 转成 ∫ f ′ \int f' ∫ f ′ 。 取 v = x − 1 v=x-1 v = x − 1 :∫ 0 1 f d x = ( x − 1 ) f ( x ) ∣ 0 1 − ∫ 0 1 ( x − 1 ) f ′ ( x ) d x = 0 − ∫ 0 1 ( x − 1 ) arcsin ( x − 1 ) 2 d x \int_0^1f\dx=(x-1)f(x)\Big|_0^1-\int_0^1(x-1)f'(x)\dx=0-\int_0^1(x-1)\arcsin(x-1)^2\dx ∫ 0 1 f d x = ( x − 1 ) f ( x ) 0 1 − ∫ 0 1 ( x − 1 ) f ′ ( x ) d x = 0 − ∫ 0 1 ( x − 1 ) arcsin ( x − 1 ) 2 d x 。
v v v 取 x − 1 x-1 x − 1 而不是 x x x :上限处 x − 1 = 0 x-1=0 x − 1 = 0 ,下限处 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,边界项全为 0,而且剩下的积分里 ( x − 1 ) (x-1) ( x − 1 ) 正好配 d ( x − 1 ) 2 \dd(x-1)^2 d ( x − 1 ) 2 。
③ (2) 凑微分。 令 u = ( x − 1 ) 2 u=(x-1)^2 u = ( x − 1 ) 2 ,d u = 2 ( x − 1 ) d x \dd u=2(x-1)\dx d u = 2 ( x − 1 ) d x ,x : 0 → 1 x:0\to1 x : 0 → 1 对应 u : 1 → 0 u:1\to0 u : 1 → 0 :∫ 0 1 ( x − 1 ) arcsin ( x − 1 ) 2 d x = 1 2 ∫ 1 0 arcsin u d u = − 1 2 ( π 2 − 1 ) \int_0^1(x-1)\arcsin(x-1)^2\dx=\dfrac12\int_1^0\arcsin u\du=-\dfrac12\Big(\dfrac\pi2-1\Big) ∫ 0 1 ( x − 1 ) arcsin ( x − 1 ) 2 d x = 2 1 ∫ 1 0 arcsin u d u = − 2 1 ( 2 π − 1 ) 。
∫ 0 1 arcsin u d u \int_0^1\arcsin u\du ∫ 0 1 arcsin u d u 用分部(v = u v=u v = u ),原函数 u arcsin u + 1 − u 2 u\arcsin u+\sqrt{1-u^2} u arcsin u + 1 − u 2 ,代上下限得 π 2 − 1 \frac\pi2-1 2 π − 1 。
④ (2) 结果。 ∫ 0 1 f d x = 1 2 ( π 2 − 1 ) = π 4 − 1 2 \int_0^1f\dx=\dfrac12\Big(\dfrac\pi2-1\Big)=\dfrac\pi4-\dfrac12 ∫ 0 1 f d x = 2 1 ( 2 π − 1 ) = 4 π − 2 1 。
前面的负号与第③步的负号抵消。
答案:(1) 6;(2) π 4 − 1 2 \frac\pi4-\frac12 4 π − 2 1
4.3 对称区间:奇函数为 0,偶函数翻倍
大白话:积分区间关于原点对称时,先把被积函数拆成奇函数和偶函数:奇函数的积分是 0,偶函数的积分是半边的两倍 。区间关于别的点 c c c 对称时,平移 x = c + t x=c+t x = c + t 就回到关于原点对称。
x y O y =√(2x −x ²)y =x √(2x −x ²)1 2 2012 数一(10):x 2 x − x 2 = 2 x − x 2 + ( x − 1 ) 2 x − x 2 x\sqrt{2x-x^2}=\sqrt{2x-x^2}+(x-1)\sqrt{2x-x^2} x 2 x − x 2 = 2 x − x 2 + ( x − 1 ) 2 x − x 2 ,后一项关于 x = 1 x=1 x = 1 左负右正、积分为 0,所以红色曲线下的面积等于半圆面积 π 2 \frac\pi2 2 π 。
对称区间公式
∫ − a a f ( x ) d x = ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] d x = { 0 , f 为奇函数 2 ∫ 0 a f ( x ) d x , f 为偶函数 \displaystyle \int_{-a}^af(x)\dx=\int_0^a\big[f(x)+f(-x)\big]\dx=\begin{cases}0,&f\text{ 为奇函数}\\2\int_0^af(x)\dx,&f\text{ 为偶函数}\end{cases} ∫ − a a f ( x ) d x = ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] d x = { 0 , 2 ∫ 0 a f ( x ) d x , f 为奇函数 f 为偶函数
第一个等号对任何 f f f 都成立:当 f ( x ) + f ( − x ) f(x)+f(-x) f ( x ) + f ( − x ) 比 f f f 简单时(如 1 1 + e x + 1 1 + e − x = 1 \frac1{1+\e^{x}}+\frac1{1+\e^{-x}}=1 1 + e x 1 + 1 + e − x 1 = 1 ),用它。
区间 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 关于中点 c = a + b 2 c=\frac{a+b}2 c = 2 a + b 对称:令 x = c + t x=c+t x = c + t ,化成 ∫ − h h \int_{-h}^h ∫ − h h 。
方法卡 · 对称区间的积分
什么时候用
积分区间是
[ − a , a ] [-a,a] [ − a , a ] ,或关于某点对称(如
[ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 与根式
2 x − x 2 \sqrt{2x-x^2} 2 x − x 2 配合)。
步骤
把被积函数拆成几项,挑出奇函数,直接划掉。
偶函数部分写成 2 ∫ 0 a 2\int_0^a 2 ∫ 0 a 。
拆不开时用 ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] d x \int_0^a[f(x)+f(-x)]\dx ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x )] d x ,看 f ( x ) + f ( − x ) f(x)+f(-x) f ( x ) + f ( − x ) 能不能化简成常数或简单函数。
区间不关于原点对称,先平移。
最容易错
判奇偶时漏了一项(
x cos x 1 + 1 − x 2 \frac{x\cos x}{1+\sqrt{1-x^2}} 1 + 1 − x 2 x c o s x 是奇函数,
2 x 2 ⋯ \frac{2x^2}{\cdots} ⋯ 2 x 2 是偶函数,要分开);
∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 是偶函数不是奇函数。
例 4.11 2015 数一(10)
∫ − π / 2 π / 2 ( sin x 1 + cos x + ∣ x ∣ ) d x = \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\Big(\dfrac{\sin x}{1+\cos x}+|x|\Big)\dx= ∫ − π /2 π /2 ( 1 + cos x sin x + ∣ x ∣ ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆成奇、偶两部分。 sin x 1 + cos x \dfrac{\sin x}{1+\cos x} 1 + cos x sin x 是奇函数(分子奇、分母偶),积分为 0;∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 是偶函数。
对称区间,先找奇函数划掉。
② 偶函数翻倍。 原式 = 2 ∫ 0 π / 2 x d x = x 2 ∣ 0 π / 2 = π 2 4 =2\int_0^{\pi/2}x\dx=x^2\Big|_0^{\pi/2}=\dfrac{\pi^2}4 = 2 ∫ 0 π /2 x d x = x 2 0 π /2 = 4 π 2 。
在 [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上 x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 ,绝对值可以直接去掉,∣ x ∣ = x |x|=x ∣ x ∣ = x 。
答案:π 2 4 \frac{\pi^2}4 4 π 2
例 4.12 2012 数一(10)
∫ 0 2 x 2 x − x 2 d x = \int_0^2x\sqrt{2x-x^2}\dx= ∫ 0 2 x 2 x − x 2 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 平移到关于原点对称。 区间 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 关于 x = 1 x=1 x = 1 对称,令 x = 1 + t x=1+t x = 1 + t :2 x − x 2 = 1 − t 2 2x-x^2=1-t^2 2 x − x 2 = 1 − t 2 ,t : − 1 → 1 t:-1\to1 t : − 1 → 1 。原式 = ∫ − 1 1 ( 1 + t ) 1 − t 2 d t =\int_{-1}^1(1+t)\sqrt{1-t^2}\dt = ∫ − 1 1 ( 1 + t ) 1 − t 2 d t 。
根号里配方是 1 − ( x − 1 ) 2 1-(x-1)^2 1 − ( x − 1 ) 2 ,中心在 1,所以平移 1。
② 奇函数为 0,剩下半圆。 t 1 − t 2 t\sqrt{1-t^2} t 1 − t 2 是奇函数,积分为 0;∫ − 1 1 1 − t 2 d t \int_{-1}^1\sqrt{1-t^2}\dt ∫ − 1 1 1 − t 2 d t 是单位上半圆的面积 π 2 \dfrac\pi2 2 π 。
对称性 + 几何意义,一步都不用真积分。
答案:π 2 \frac\pi2 2 π
例 4.13 2026 数三(11)
∫ 0 1 x ( x − 1 ) ( x − 1 2 ) d x = \int_0^1x(x-1)\Big(x-\dfrac12\Big)\dx= ∫ 0 1 x ( x − 1 ) ( x − 2 1 ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 看出对称中心。 三个零点 0 , 1 2 , 1 0,\frac12,1 0 , 2 1 , 1 关于 x = 1 2 x=\frac12 x = 2 1 对称,积分区间 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 的中点也是 1 2 \frac12 2 1 ,令 x = 1 2 + u x=\frac12+u x = 2 1 + u 。
区间中点和函数的对称中心重合,是用对称性的信号。
② 化成奇函数。 x ( x − 1 ) ( x − 1 2 ) = ( u + 1 2 ) ( u − 1 2 ) u = u 3 − u 4 x(x-1)\Big(x-\dfrac12\Big)=\Big(u+\dfrac12\Big)\Big(u-\dfrac12\Big)u=u^3-\dfrac u4 x ( x − 1 ) ( x − 2 1 ) = ( u + 2 1 ) ( u − 2 1 ) u = u 3 − 4 u ,u : − 1 2 → 1 2 u:-\frac12\to\frac12 u : − 2 1 → 2 1 。
平移后是 u u u 的奇函数。
③ 结论。 对称区间上奇函数的积分为 0,原式 = 0 =0 = 0 。
也可以展开成 x 3 − 3 2 x 2 + 1 2 x x^3-\frac32x^2+\frac12x x 3 − 2 3 x 2 + 2 1 x 逐项积分:1 4 − 1 2 + 1 4 = 0 \frac14-\frac12+\frac14=0 4 1 − 2 1 + 4 1 = 0 。
答案:0
例 4.14 李林 第六章 §1 例 2(2)、例 11 · p133、p136
计算:(1)
∫ 0 2 ( 1 + x 2 ) 2 x − x 2 d x \int_0^2\Big(1+\dfrac x2\Big)\sqrt{2x-x^2}\dx ∫ 0 2 ( 1 + 2 x ) 2 x − x 2 d x ;(2)
∫ − 1 1 2 x 2 + x cos x 1 + 1 − x 2 d x \int_{-1}^1\dfrac{2x^2+x\cos x}{1+\sqrt{1-x^2}}\dx ∫ − 1 1 1 + 1 − x 2 2 x 2 + x cos x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 平移。 令 x = 1 + t x=1+t x = 1 + t :原式 = ∫ − 1 1 ( 3 2 + t 2 ) 1 − t 2 d t = 3 2 ⋅ π 2 + 0 = 3 π 4 =\int_{-1}^1\Big(\dfrac32+\dfrac t2\Big)\sqrt{1-t^2}\dt=\dfrac32\cdot\dfrac\pi2+0=\dfrac{3\pi}4 = ∫ − 1 1 ( 2 3 + 2 t ) 1 − t 2 d t = 2 3 ⋅ 2 π + 0 = 4 3 π 。
和 2012 数一(10) 一样:奇函数部分为 0,剩下半圆面积乘系数。
② (2) 拆奇偶。 x cos x 1 + 1 − x 2 \dfrac{x\cos x}{1+\sqrt{1-x^2}} 1 + 1 − x 2 x cos x 是奇函数,积分为 0。原式 = 2 ∫ 0 1 2 x 2 1 + 1 − x 2 d x =2\int_0^1\dfrac{2x^2}{1+\sqrt{1-x^2}}\dx = 2 ∫ 0 1 1 + 1 − x 2 2 x 2 d x 。
分母是偶函数;分子 2 x 2 2x^2 2 x 2 偶、x cos x x\cos x x cos x 奇。
③ (2) 分母有理化。 x 2 1 + 1 − x 2 = x 2 ( 1 − 1 − x 2 ) 1 − ( 1 − x 2 ) = 1 − 1 − x 2 \dfrac{x^2}{1+\sqrt{1-x^2}}=\dfrac{x^2(1-\sqrt{1-x^2})}{1-(1-x^2)}=1-\sqrt{1-x^2} 1 + 1 − x 2 x 2 = 1 − ( 1 − x 2 ) x 2 ( 1 − 1 − x 2 ) = 1 − 1 − x 2 。原式 = 4 ∫ 0 1 ( 1 − 1 − x 2 ) d x = 4 ( 1 − π 4 ) = 4 − π =4\int_0^1\big(1-\sqrt{1-x^2}\big)\dx=4\Big(1-\dfrac\pi4\Big)=4-\pi = 4 ∫ 0 1 ( 1 − 1 − x 2 ) d x = 4 ( 1 − 4 π ) = 4 − π 。
1 + ⋯ 1+\sqrt{\cdots} 1 + ⋯ 在分母,乘共轭;∫ 0 1 1 − x 2 d x \int_0^1\sqrt{1-x^2}\dx ∫ 0 1 1 − x 2 d x 是四分之一圆。
答案:(1) 3 π 4 \frac{3\pi}4 4 3 π ;(2) 4 − π 4-\pi 4 − π
例 4.15 李林 第六章 §1 例 12、例 14 · p137—138
计算:(1)
∫ − π / 2 π / 2 cos 2 x 1 + e − x d x \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\dfrac{\cos^2x}{1+\e^{-x}}\dx ∫ − π /2 π /2 1 + e − x cos 2 x d x ;(2)
∫ − π / 2 π / 2 ∣ sin x ∣ arctan e x d x \int_{-\pi/2}^{\pi/2}|\sin x|\arctan\e^x\dx ∫ − π /2 π /2 ∣ sin x ∣ arctan e x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 不是奇偶函数,用 ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] \int_0^a[f(x)+f(-x)] ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x )] 。 cos 2 x 1 + e − x + cos 2 x 1 + e x = cos 2 x ⋅ ( e x e x + 1 + 1 1 + e x ) = cos 2 x \dfrac{\cos^2x}{1+\e^{-x}}+\dfrac{\cos^2x}{1+\e^{x}}=\cos^2x\cdot\Big(\dfrac{\e^x}{\e^x+1}+\dfrac1{1+\e^x}\Big)=\cos^2x 1 + e − x cos 2 x + 1 + e x cos 2 x = cos 2 x ⋅ ( e x + 1 e x + 1 + e x 1 ) = cos 2 x 。
1 1 + e − x \frac1{1+\e^{-x}} 1 + e − x 1 上下同乘 e x \e^x e x ,两项分母相同,加起来是 1。
② (1) 结果。 原式 = ∫ 0 π / 2 cos 2 x d x = π 4 =\int_0^{\pi/2}\cos^2x\dx=\dfrac\pi4 = ∫ 0 π /2 cos 2 x d x = 4 π 。
华里士公式(4.6 节):∫ 0 π / 2 cos 2 x d x = 1 2 ⋅ π 2 \int_0^{\pi/2}\cos^2x\dx=\frac12\cdot\frac\pi2 ∫ 0 π /2 cos 2 x d x = 2 1 ⋅ 2 π 。
③ (2) 同样配对。 arctan e x + arctan e − x = π 2 \arctan\e^x+\arctan\e^{-x}=\dfrac\pi2 arctan e x + arctan e − x = 2 π (arctan u + arctan 1 u = π 2 \arctan u+\arctan\frac1u=\frac\pi2 arctan u + arctan u 1 = 2 π ,u > 0 u>0 u > 0 ),∣ sin x ∣ |\sin x| ∣ sin x ∣ 是偶函数。原式 = ∫ 0 π / 2 ∣ sin x ∣ ⋅ π 2 d x = π 2 ∫ 0 π / 2 sin x d x = π 2 =\int_0^{\pi/2}|\sin x|\cdot\dfrac\pi2\dx=\dfrac\pi2\int_0^{\pi/2}\sin x\dx=\dfrac\pi2 = ∫ 0 π /2 ∣ sin x ∣ ⋅ 2 π d x = 2 π ∫ 0 π /2 sin x d x = 2 π 。
一般结论:f ( x ) + f ( − x ) = A f(x)+f(-x)=A f ( x ) + f ( − x ) = A 、g g g 偶,则 ∫ − a a f g = A ∫ 0 a g \int_{-a}^afg=A\int_0^ag ∫ − a a f g = A ∫ 0 a g 。
答案:(1) π 4 \frac\pi4 4 π ;(2) π 2 \frac\pi2 2 π
4.4 周期函数、分段函数与函数方程
大白话:周期函数在任意一个周期长的区间上积分都一样 ,所以可以把区间“搬”到方便的位置;分段函数、绝对值要在分段点处把积分拆开;题目给的是函数方程(如 f ( x + 2 ) − f ( x ) = x f(x+2)-f(x)=x f ( x + 2 ) − f ( x ) = x )时,用换元把要求的区间搬到已知的区间。
x y O 面积 2 面积 2 a a +πy =|sin x |π 2π 3π ∣ sin x ∣ |\sin x| ∣ sin x ∣ 的周期是 π \pi π :长为一个周期的窗口放在哪里,窗口里的面积都是 2。
周期与分段
f f f 以 T T T 为周期:∫ a a + T f = ∫ 0 T f \int_a^{a+T}f=\int_0^Tf ∫ a a + T f = ∫ 0 T f (与 a a a 无关);∫ 0 n T f = n ∫ 0 T f \int_0^{nT}f=n\int_0^Tf ∫ 0 n T f = n ∫ 0 T f 。
分段函数:在分段点拆开;f ( x − 1 ) f(x-1) f ( x − 1 ) 这类先换元 t = x − 1 t=x-1 t = x − 1 再看分段。
绝对值:先求绝对值里的零点,按正负拆开。
函数方程:∫ 2 3 f ( x ) d x → x = t + 2 ∫ 0 1 f ( t + 2 ) d t \int_2^3f(x)\dx\xrightarrow{x=t+2}\int_0^1f(t+2)\dt ∫ 2 3 f ( x ) d x x = t + 2 ∫ 0 1 f ( t + 2 ) d t ,再用方程把 f ( t + 2 ) f(t+2) f ( t + 2 ) 换掉。
方法卡 · 周期、分段、函数方程
什么时候用
被积函数是周期函数、分段函数、含绝对值,或者只给了函数满足的关系式。
步骤
周期函数:把区间按周期切段、平移到 [ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] 。
分段、绝对值:找分段点,拆积分。
函数方程:换元把积分区间搬到已知的区间,再用方程代换。
最容易错
平移区间时忘了换被积函数的自变量;绝对值拆分时漏了某一段的负号。
例 4.16 2023 数一(14)
设连续函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 满足
f ( x + 2 ) − f ( x ) = x f(x+2)-f(x)=x f ( x + 2 ) − f ( x ) = x ,
∫ 0 2 f ( x ) d x = 0 \int_0^2f(x)\dx=0 ∫ 0 2 f ( x ) d x = 0 ,则
∫ 1 3 f ( x ) d x = \int_1^3f(x)\dx= ∫ 1 3 f ( x ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆开区间。 ∫ 1 3 f = ∫ 1 2 f + ∫ 2 3 f \int_1^3f=\int_1^2f+\int_2^3f ∫ 1 3 f = ∫ 1 2 f + ∫ 2 3 f 。
已知的是 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上的积分,[ 2 , 3 ] [2,3] [ 2 , 3 ] 不在里面,要搬过去。
② 把 [ 2 , 3 ] [2,3] [ 2 , 3 ] 搬到 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 。 令 x = t + 2 x=t+2 x = t + 2 :∫ 2 3 f ( x ) d x = ∫ 0 1 f ( t + 2 ) d t = ∫ 0 1 [ f ( t ) + t ] d t = ∫ 0 1 f ( t ) d t + 1 2 \int_2^3f(x)\dx=\int_0^1f(t+2)\dt=\int_0^1\big[f(t)+t\big]\dt=\int_0^1f(t)\dt+\dfrac12 ∫ 2 3 f ( x ) d x = ∫ 0 1 f ( t + 2 ) d t = ∫ 0 1 [ f ( t ) + t ] d t = ∫ 0 1 f ( t ) d t + 2 1 。
函数方程 f ( t + 2 ) = f ( t ) + t f(t+2)=f(t)+t f ( t + 2 ) = f ( t ) + t 正好把 f ( t + 2 ) f(t+2) f ( t + 2 ) 换成 f ( t ) f(t) f ( t ) 。
③ 拼回 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 。 ∫ 1 3 f = ∫ 1 2 f + ∫ 0 1 f + 1 2 = ∫ 0 2 f + 1 2 = 1 2 \int_1^3f=\int_1^2f+\int_0^1f+\dfrac12=\int_0^2f+\dfrac12=\dfrac12 ∫ 1 3 f = ∫ 1 2 f + ∫ 0 1 f + 2 1 = ∫ 0 2 f + 2 1 = 2 1 。
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 和 [ 1 , 2 ] [1,2] [ 1 , 2 ] 拼成已知的 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 。
答案:1 2 \frac12 2 1
例 4.17 2024 数三(2)
设
I = ∫ a a + k π ∣ sin x ∣ d x I=\int_a^{a+k\pi}|\sin x|\dx I = ∫ a a + kπ ∣ sin x ∣ d x ,
k k k 为整数,则
I I I 的值( )
(A)只与
a a a 有关 (B)只与
k k k 有关 (C)与
a , k a,k a , k 均有关 (D)与
a , k a,k a , k 均无关
解答先遮住,自己试 5 分钟
① ∣ sin x ∣ |\sin x| ∣ sin x ∣ 的周期是 π \pi π 。 ∣ sin ( x + π ) ∣ = ∣ − sin x ∣ = ∣ sin x ∣ |\sin(x+\pi)|=|-\sin x|=|\sin x| ∣ sin ( x + π ) ∣ = ∣ − sin x ∣ = ∣ sin x ∣ 。
sin x \sin x sin x 的周期是 2 π 2\pi 2 π ,加了绝对值后周期减半。
② 积分与起点无关。 区间长 k π k\pi kπ 是 k k k 个周期,I = k ∫ 0 π ∣ sin x ∣ d x = 2 k I=k\int_0^\pi|\sin x|\dx=2k I = k ∫ 0 π ∣ sin x ∣ d x = 2 k (k < 0 k<0 k < 0 时同样得 2 k 2k 2 k )。
图上看,窗口平移不改变窗口里的面积。
③ 结论。 I = 2 k I=2k I = 2 k 只与 k k k 有关,所以选(B)。
取 k = 1 k=1 k = 1 ,a = 0 a=0 a = 0 与 a = π 2 a=\frac\pi2 a = 2 π 验证:都是 2。
答案:B
例 4.18 2016 数二(16) 李林 第六章 §1 例 16 · p138
设函数
f ( x ) = ∫ 0 1 ∣ t 2 − x 2 ∣ d t f(x)=\int_0^1\big|t^2-x^2\big|\dt f ( x ) = ∫ 0 1 t 2 − x 2 d t (
x > 0 x>0 x > 0 ),求
f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) ,并求
f ( x ) f(x) f ( x ) 的最小值。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 按 x x x 与 1 的大小分情况去绝对值。 0 < x < 1 0<x<1 0 < x < 1 :f ( x ) = ∫ 0 x ( x 2 − t 2 ) d t + ∫ x 1 ( t 2 − x 2 ) d t = 4 3 x 3 − x 2 + 1 3 f(x)=\int_0^x(x^2-t^2)\dt+\int_x^1(t^2-x^2)\dt=\dfrac43x^3-x^2+\dfrac13 f ( x ) = ∫ 0 x ( x 2 − t 2 ) d t + ∫ x 1 ( t 2 − x 2 ) d t = 3 4 x 3 − x 2 + 3 1 ;x ≥ 1 x\ge1 x ≥ 1 :f ( x ) = ∫ 0 1 ( x 2 − t 2 ) d t = x 2 − 1 3 f(x)=\int_0^1(x^2-t^2)\dt=x^2-\dfrac13 f ( x ) = ∫ 0 1 ( x 2 − t 2 ) d t = x 2 − 3 1 。
积分变量是 t t t ,x x x 是参数;t 2 − x 2 t^2-x^2 t 2 − x 2 的零点 t = x t=x t = x 在不在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 里决定怎么拆。
② 求导。 f ′ ( x ) = 4 x 2 − 2 x f'(x)=4x^2-2x f ′ ( x ) = 4 x 2 − 2 x (0 < x < 1 0<x<1 0 < x < 1 ),f ′ ( x ) = 2 x f'(x)=2x f ′ ( x ) = 2 x (x > 1 x>1 x > 1 );x = 1 x=1 x = 1 处左右导数都是 2,所以 f ′ ( 1 ) = 2 f'(1)=2 f ′ ( 1 ) = 2 。
分段点的导数看左右导数是否相等。
③ 求最小值。 0 < x < 1 2 0<x<\frac12 0 < x < 2 1 时 f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ,x > 1 2 x>\frac12 x > 2 1 时 f ′ > 0 f'>0 f ′ > 0 ,最小值 f ( 1 2 ) = 1 6 − 1 4 + 1 3 = 1 4 f\big(\frac12\big)=\dfrac16-\dfrac14+\dfrac13=\dfrac14 f ( 2 1 ) = 6 1 − 4 1 + 3 1 = 4 1 。
唯一驻点且先减后增,就是最小值点。
答案:f ′ ( x ) = { 4 x 2 − 2 x , 0 < x < 1 2 x , x ≥ 1 f'(x)=\begin{cases}4x^2-2x,&0<x<1\\2x,&x\ge1\end{cases} f ′ ( x ) = { 4 x 2 − 2 x , 2 x , 0 < x < 1 x ≥ 1 ,最小值 f ( 1 2 ) = 1 4 f(\frac12)=\frac14 f ( 2 1 ) = 4 1
例 4.19 李林 第六章 §1 例 4、例 15 · p133、p138
(1)设
f ( x ) = f ( x − π ) + sin x f(x)=f(x-\pi)+\sin x f ( x ) = f ( x − π ) + sin x ,且当
x ∈ [ 0 , π ) x\in[0,\pi) x ∈ [ 0 , π ) 时
f ( x ) = x f(x)=x f ( x ) = x ,求
∫ π 3 π f ( x ) d x \int_\pi^{3\pi}f(x)\dx ∫ π 3 π f ( x ) d x 。(2)设
f ( x ) = { 1 1 + x , x ≥ 0 1 1 + e x , x < 0 f(x)=\begin{cases}\frac1{1+x},&x\ge0\\\frac1{1+\e^x},&x<0\end{cases} f ( x ) = { 1 + x 1 , 1 + e x 1 , x ≥ 0 x < 0 ,求
∫ 0 2 f ( x − 1 ) d x \int_0^2f(x-1)\dx ∫ 0 2 f ( x − 1 ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 先写出 [ π , 3 π ) [\pi,3\pi) [ π , 3 π ) 上的表达式。 x ∈ [ π , 2 π ) x\in[\pi,2\pi) x ∈ [ π , 2 π ) :f ( x ) = ( x − π ) + sin x f(x)=(x-\pi)+\sin x f ( x ) = ( x − π ) + sin x ;x ∈ [ 2 π , 3 π ) x\in[2\pi,3\pi) x ∈ [ 2 π , 3 π ) :f ( x ) = f ( x − π ) + sin x = ( x − 2 π ) + sin ( x − π ) + sin x = x − 2 π f(x)=f(x-\pi)+\sin x=(x-2\pi)+\sin(x-\pi)+\sin x=x-2\pi f ( x ) = f ( x − π ) + sin x = ( x − 2 π ) + sin ( x − π ) + sin x = x − 2 π 。
用关系式一次一次往回推到 [ 0 , π ) [0,\pi) [ 0 , π ) ;sin ( x − π ) = − sin x \sin(x-\pi)=-\sin x sin ( x − π ) = − sin x 与 sin x \sin x sin x 抵消。
② (1) 积分。 ∫ π 2 π ( x − π + sin x ) d x = π 2 2 − 2 \int_\pi^{2\pi}(x-\pi+\sin x)\dx=\dfrac{\pi^2}2-2 ∫ π 2 π ( x − π + sin x ) d x = 2 π 2 − 2 ,∫ 2 π 3 π ( x − 2 π ) d x = π 2 2 \int_{2\pi}^{3\pi}(x-2\pi)\dx=\dfrac{\pi^2}2 ∫ 2 π 3 π ( x − 2 π ) d x = 2 π 2 ,合计 π 2 − 2 \pi^2-2 π 2 − 2 。
sin x \sin x sin x 在 [ π , 2 π ] [\pi,2\pi] [ π , 2 π ] 上是负的,积分 − cos x ∣ π 2 π = − 1 − 1 = − 2 -\cos x\big|_\pi^{2\pi}=-1-1=-2 − cos x π 2 π = − 1 − 1 = − 2 。
③ (2) 先换元再分段。 令 t = x − 1 t=x-1 t = x − 1 :∫ 0 2 f ( x − 1 ) d x = ∫ − 1 1 f ( t ) d t = ∫ − 1 0 d t 1 + e t + ∫ 0 1 d t 1 + t \int_0^2f(x-1)\dx=\int_{-1}^1f(t)\dt=\int_{-1}^0\dfrac{\dt}{1+\e^t}+\int_0^1\dfrac{\dt}{1+t} ∫ 0 2 f ( x − 1 ) d x = ∫ − 1 1 f ( t ) d t = ∫ − 1 0 1 + e t d t + ∫ 0 1 1 + t d t 。
f ( x − 1 ) f(x-1) f ( x − 1 ) 的分段点在 x = 1 x=1 x = 1 ,换元后分段点回到 t = 0 t=0 t = 0 ,更清楚。
④ (2) 计算。 ∫ − 1 0 d t 1 + e t = [ t − ln ( 1 + e t ) ] − 1 0 = − ln 2 + 1 + ln ( 1 + e − 1 ) \int_{-1}^0\dfrac{\dt}{1+\e^t}=\big[t-\ln(1+\e^t)\big]_{-1}^0=-\ln2+1+\ln(1+\e^{-1}) ∫ − 1 0 1 + e t d t = [ t − ln ( 1 + e t ) ] − 1 0 = − ln 2 + 1 + ln ( 1 + e − 1 ) ,∫ 0 1 d t 1 + t = ln 2 \int_0^1\dfrac{\dt}{1+t}=\ln2 ∫ 0 1 1 + t d t = ln 2 。合计 1 + ln e + 1 e = ln ( 1 + e ) 1+\ln\dfrac{\e+1}{\e}=\ln(1+\e) 1 + ln e e + 1 = ln ( 1 + e ) 。
∫ d t 1 + e t \int\frac{\dt}{1+\e^t} ∫ 1 + e t d t 用例 2.3 第 (2) 小题的结果。
答案:(1) π 2 − 2 \pi^2-2 π 2 − 2 ;(2) ln ( 1 + e ) \ln(1+\e) ln ( 1 + e )
例 4.20 李林 第六章 §1 例 17、习题 解答 (4)(Ⅱ) · p139、p163
计算:(1)
∫ e − 2 n π 1 ∣ d d x cos ( ln 1 x ) ∣ d x \int_{\e^{-2n\pi}}^1\left|\dfrac{\dd}{\dd x}\cos\Big(\ln\dfrac1x\Big)\right|\dx ∫ e − 2 nπ 1 d x d cos ( ln x 1 ) d x (
n n n 为正整数);(2)
∫ 0 n π 1 − sin 2 x d x \int_0^{n\pi}\sqrt{1-\sin2x}\dx ∫ 0 nπ 1 − sin 2 x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 先求导。 cos ( ln 1 x ) = cos ( − ln x ) = cos ( ln x ) \cos\big(\ln\frac1x\big)=\cos(-\ln x)=\cos(\ln x) cos ( ln x 1 ) = cos ( − ln x ) = cos ( ln x ) ,导数 − sin ( ln x ) x -\dfrac{\sin(\ln x)}x − x sin ( ln x ) 。原式 = ∫ e − 2 n π 1 ∣ sin ( ln x ) ∣ x d x =\int_{\e^{-2n\pi}}^1\dfrac{|\sin(\ln x)|}x\dx = ∫ e − 2 nπ 1 x ∣ sin ( ln x ) ∣ d x 。
积分号里是某个函数的导数的绝对值,不能直接用牛顿—莱布尼茨,要先求出导数。
② (1) 换元后用周期。 令 t = ln x t=\ln x t = ln x ,t : − 2 n π → 0 t:-2n\pi\to0 t : − 2 nπ → 0 :原式 = ∫ − 2 n π 0 ∣ sin t ∣ d t = 2 n ∫ 0 π sin t d t = 4 n =\int_{-2n\pi}^0|\sin t|\dt=2n\int_0^\pi\sin t\dt=4n = ∫ − 2 nπ 0 ∣ sin t ∣ d t = 2 n ∫ 0 π sin t d t = 4 n 。
d x x = d t \frac{\dx}x=\dt x d x = d t ;区间长 2 n π 2n\pi 2 nπ 是 ∣ sin t ∣ |\sin t| ∣ sin t ∣ 的 2 n 2n 2 n 个周期。
③ (2) 根号化成绝对值。 1 − sin 2 x = sin 2 x + cos 2 x − 2 sin x cos x = ( sin x − cos x ) 2 1-\sin2x=\sin^2x+\cos^2x-2\sin x\cos x=(\sin x-\cos x)^2 1 − sin 2 x = sin 2 x + cos 2 x − 2 sin x cos x = ( sin x − cos x ) 2 ,所以被积函数 = ∣ sin x − cos x ∣ = 2 ∣ sin ( x − π 4 ) ∣ =|\sin x-\cos x|=\sqrt2\Big|\sin\Big(x-\dfrac\pi4\Big)\Big| = ∣ sin x − cos x ∣ = 2 sin ( x − 4 π ) 。
开平方得到的是绝对值:a 2 = ∣ a ∣ \sqrt{a^2}=|a| a 2 = ∣ a ∣ 。sin x − cos x \sin x-\cos x sin x − cos x 在区间里有正有负,不能直接写成 sin x − cos x \sin x-\cos x sin x − cos x 。
④ (2) 周期 π \pi π 。 原式 = 2 ⋅ n ∫ 0 π ∣ sin u ∣ d u = 2 2 n =\sqrt2\cdot n\int_0^\pi|\sin u|\du=2\sqrt2n = 2 ⋅ n ∫ 0 π ∣ sin u ∣ d u = 2 2 n 。
∣ sin ( x − π 4 ) ∣ \big|\sin(x-\frac\pi4)\big| sin ( x − 4 π ) 以 π \pi π 为周期,[ 0 , n π ] [0,n\pi] [ 0 , nπ ] 是 n n n 个周期,起点不影响。
答案:(1) 4 n 4n 4 n ;(2) 2 2 n 2\sqrt2n 2 2 n
4.5 区间再现:x → a + b − x x\to a+b-x x → a + b − x
大白话:把 x x x 换成 a + b − x a+b-x a + b − x ,积分区间 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 不变,只是被积函数左右翻了个面 。如果翻过来的被积函数和原来的“配成一对”后很简单(比如相加是常数),就把两个积分加起来,原积分等于它的一半。[ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上 sin ↔ cos \sin\leftrightarrow\cos sin ↔ cos ,[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上 x ↔ π − x x\leftrightarrow\pi-x x ↔ π − x 都是这样。
x y O f (x )f (a +b −x )对称轴 x =(a +b )/2 a b f ( a + b − x ) f(a+b-x) f ( a + b − x ) 是 f ( x ) f(x) f ( x ) 关于区间中点翻过来的图像,两者在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上的积分相等。
区间再现公式
∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( a + b − x ) d x = 1 2 ∫ a b [ f ( x ) + f ( a + b − x ) ] d x . \displaystyle \int_a^bf(x)\dx=\int_a^bf(a+b-x)\dx=\frac12\int_a^b\big[f(x)+f(a+b-x)\big]\dx. ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( a + b − x ) d x = 2 1 ∫ a b [ f ( x ) + f ( a + b − x ) ] d x .
∫ 0 π / 2 f ( sin x ) d x = ∫ 0 π / 2 f ( cos x ) d x \int_0^{\pi/2}f(\sin x)\dx=\int_0^{\pi/2}f(\cos x)\dx ∫ 0 π /2 f ( sin x ) d x = ∫ 0 π /2 f ( cos x ) d x 。
∫ 0 π x f ( sin x ) d x = π 2 ∫ 0 π f ( sin x ) d x \int_0^\pi xf(\sin x)\dx=\dfrac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)\dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = 2 π ∫ 0 π f ( sin x ) d x (把 x x x “换成”常数 π 2 \frac\pi2 2 π )。
方法卡 · 区间再现
什么时候用
被积函数在区间端点“互换”后变成相似的样子:
sin ↔ cos \sin\leftrightarrow\cos sin ↔ cos 、
x ↔ π − x x\leftrightarrow\pi-x x ↔ π − x 、
ln ( 1 + x ) \ln(1+x) ln ( 1 + x ) 配
1 1 + x 2 \frac1{1+x^2} 1 + x 2 1 (令
x = tan t x=\tan t x = tan t 后)等;原函数不好求。
步骤
令 x = a + b − t x=a+b-t x = a + b − t ,写出新积分 J J J (它等于原积分 I I I )。
把 I I I 和 J J J 相加(或相减),看被积函数能否化简。
2 I = 2I= 2 I = 简单的积分,除以 2。
最容易错
换元后忘了
d x = − d t \dd x=-\dd t d x = − d t 和上下限对调这两个负号(它们互相抵消);
∫ 0 π x f ( sin x ) d x \int_0^\pi xf(\sin x)\dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x 的公式对
f ( cos x ) f(\cos x) f ( cos x ) 不成立。
例 4.21 李林 第六章 §1 例 3 · p133,§3 例 8(1) · p148
计算:(1)
∫ 0 π / 2 sin 3 x sin x + cos x d x \int_0^{\pi/2}\dfrac{\sin^3x}{\sin x+\cos x}\dx ∫ 0 π /2 sin x + cos x sin 3 x d x ;(2)
∫ 0 π x sin x 1 + cos 2 x d x \int_0^\pi\dfrac{x\sin x}{1+\cos^2x}\dx ∫ 0 π 1 + cos 2 x x sin x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 设 I I I 与它的“孪生”积分 J J J 。 I = ∫ 0 π / 2 sin 3 x sin x + cos x d x I=\int_0^{\pi/2}\dfrac{\sin^3x}{\sin x+\cos x}\dx I = ∫ 0 π /2 sin x + cos x sin 3 x d x ,令 x = π 2 − t x=\frac\pi2-t x = 2 π − t 得 I = ∫ 0 π / 2 cos 3 t cos t + sin t d t = J I=\int_0^{\pi/2}\dfrac{\cos^3t}{\cos t+\sin t}\dt=J I = ∫ 0 π /2 cos t + sin t cos 3 t d t = J 。
区间 [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上 x → π 2 − x x\to\frac\pi2-x x → 2 π − x 把 sin \sin sin 与 cos \cos cos 互换,分母不变。
② (1) 相加。 2 I = ∫ 0 π / 2 sin 3 x + cos 3 x sin x + cos x d x = ∫ 0 π / 2 ( 1 − sin x cos x ) d x = π 2 − 1 2 2I=\int_0^{\pi/2}\dfrac{\sin^3x+\cos^3x}{\sin x+\cos x}\dx=\int_0^{\pi/2}(1-\sin x\cos x)\dx=\dfrac\pi2-\dfrac12 2 I = ∫ 0 π /2 sin x + cos x sin 3 x + cos 3 x d x = ∫ 0 π /2 ( 1 − sin x cos x ) d x = 2 π − 2 1 。
立方和公式 a 3 + b 3 = ( a + b ) ( a 2 − a b + b 2 ) a^3+b^3=(a+b)(a^2-ab+b^2) a 3 + b 3 = ( a + b ) ( a 2 − ab + b 2 ) ,约去分母;∫ 0 π / 2 sin x cos x d x = 1 2 \int_0^{\pi/2}\sin x\cos x\dx=\frac12 ∫ 0 π /2 sin x cos x d x = 2 1 。
③ (1) 除以 2。 I = π − 1 4 I=\dfrac{\pi-1}4 I = 4 π − 1 。
原函数很难直接求,配对后一步化简。
④ (2) 用 x → π − x x\to\pi-x x → π − x 去掉 x x x 。 令 x = π − t x=\pi-t x = π − t :I = ∫ 0 π ( π − t ) sin t 1 + cos 2 t d t = π ∫ 0 π sin t 1 + cos 2 t d t − I I=\int_0^\pi\dfrac{(\pi-t)\sin t}{1+\cos^2t}\dt=\pi\int_0^\pi\dfrac{\sin t}{1+\cos^2t}\dt-I I = ∫ 0 π 1 + cos 2 t ( π − t ) sin t d t = π ∫ 0 π 1 + cos 2 t sin t d t − I ,所以 I = π 2 ∫ 0 π sin x 1 + cos 2 x d x I=\dfrac\pi2\int_0^\pi\dfrac{\sin x}{1+\cos^2x}\dx I = 2 π ∫ 0 π 1 + cos 2 x sin x d x 。
sin ( π − t ) = sin t \sin(\pi-t)=\sin t sin ( π − t ) = sin t ,cos 2 ( π − t ) = cos 2 t \cos^2(\pi-t)=\cos^2t cos 2 ( π − t ) = cos 2 t ;x x x 那一项变成 π − t \pi-t π − t ,拆开后又出现 I I I 。
⑤ (2) 凑微分。 ∫ 0 π sin x 1 + cos 2 x d x = − arctan ( cos x ) ∣ 0 π = π 4 + π 4 = π 2 \int_0^\pi\dfrac{\sin x}{1+\cos^2x}\dx=-\arctan(\cos x)\Big|_0^\pi=\dfrac\pi4+\dfrac\pi4=\dfrac\pi2 ∫ 0 π 1 + cos 2 x sin x d x = − arctan ( cos x ) 0 π = 4 π + 4 π = 2 π ,所以 I = π 2 4 I=\dfrac{\pi^2}4 I = 4 π 2 。
被积函数只含 sin x \sin x sin x 和 cos x \cos x cos x ,sin x d x \sin x\dx sin x d x 正好是 − d cos x -\dd\cos x − d cos x ,把 cos x \cos x cos x 看成 u u u 就是 − ∫ d u 1 + u 2 -\int\frac{\du}{1+u^2} − ∫ 1 + u 2 d u 。
答案:(1) π − 1 4 \frac{\pi-1}4 4 π − 1 ;(2) π 2 4 \frac{\pi^2}4 4 π 2
例 4.22 李林 第六章 §3 例 8(2) · p149
设
f ( x ) = x 1 + cos 2 x + ∫ − π π f ( x ) sin x d x f(x)=\dfrac x{1+\cos^2x}+\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin x\dx f ( x ) = 1 + cos 2 x x + ∫ − π π f ( x ) sin x d x ,求
f ( x ) f(x) f ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 定积分是常数,设出来。 令 A = ∫ − π π f ( x ) sin x d x A=\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin x\dx A = ∫ − π π f ( x ) sin x d x ,则 f ( x ) = x 1 + cos 2 x + A f(x)=\dfrac x{1+\cos^2x}+A f ( x ) = 1 + cos 2 x x + A 。
题目里的定积分是一个数,先给它起个名字,问题变成求 A A A 。
② 两边乘 sin x \sin x sin x 再积分。 A = ∫ − π π x sin x 1 + cos 2 x d x + A ∫ − π π sin x d x = 2 ∫ 0 π x sin x 1 + cos 2 x d x + 0 A=\int_{-\pi}^\pi\dfrac{x\sin x}{1+\cos^2x}\dx+A\int_{-\pi}^\pi\sin x\dx=2\int_0^\pi\dfrac{x\sin x}{1+\cos^2x}\dx+0 A = ∫ − π π 1 + cos 2 x x sin x d x + A ∫ − π π sin x d x = 2 ∫ 0 π 1 + cos 2 x x sin x d x + 0 。
x sin x 1 + cos 2 x \frac{x\sin x}{1+\cos^2x} 1 + c o s 2 x x s i n x 是偶函数,翻倍;sin x \sin x sin x 奇,积分为 0。
③ 用上一题。 A = 2 ⋅ π 2 4 = π 2 2 A=2\cdot\dfrac{\pi^2}4=\dfrac{\pi^2}2 A = 2 ⋅ 4 π 2 = 2 π 2 ,所以 f ( x ) = x 1 + cos 2 x + π 2 2 f(x)=\dfrac x{1+\cos^2x}+\dfrac{\pi^2}2 f ( x ) = 1 + cos 2 x x + 2 π 2 。
例 4.21 第 (2) 小题算过 ∫ 0 π x sin x 1 + cos 2 x d x = π 2 4 \int_0^\pi\frac{x\sin x}{1+\cos^2x}\dx=\frac{\pi^2}4 ∫ 0 π 1 + c o s 2 x x s i n x d x = 4 π 2 。
答案:f ( x ) = x 1 + cos 2 x + π 2 2 f(x)=\frac x{1+\cos^2x}+\frac{\pi^2}2 f ( x ) = 1 + c o s 2 x x + 2 π 2
例 4.23 李林 第六章 习题 解答 (4)(Ⅳ) · p163
计算:(1)
∫ 0 π / 2 ln sin x d x \int_0^{\pi/2}\ln\sin x\dx ∫ 0 π /2 ln sin x d x ;(2)
∫ 0 1 ln ( 1 + x ) 1 + x 2 d x \int_0^1\dfrac{\ln(1+x)}{1+x^2}\dx ∫ 0 1 1 + x 2 ln ( 1 + x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 区间再现:sin → cos \sin\to\cos sin → cos 。 I = ∫ 0 π / 2 ln sin x d x = ∫ 0 π / 2 ln cos x d x I=\int_0^{\pi/2}\ln\sin x\dx=\int_0^{\pi/2}\ln\cos x\dx I = ∫ 0 π /2 ln sin x d x = ∫ 0 π /2 ln cos x d x ,相加:2 I = ∫ 0 π / 2 ln sin 2 x 2 d x = ∫ 0 π / 2 ln sin 2 x d x − π 2 ln 2 2I=\int_0^{\pi/2}\ln\dfrac{\sin2x}2\dx=\int_0^{\pi/2}\ln\sin2x\dx-\dfrac\pi2\ln2 2 I = ∫ 0 π /2 ln 2 sin 2 x d x = ∫ 0 π /2 ln sin 2 x d x − 2 π ln 2 。
sin x cos x = 1 2 sin 2 x \sin x\cos x=\frac12\sin2x sin x cos x = 2 1 sin 2 x ,对数把乘积变成加法。(这个积分在 x = 0 x=0 x = 0 处被积函数无界,是收敛的反常积分,第 6 部分再说。)
② (1) 再换元回到 I I I 。 令 u = 2 x u=2x u = 2 x :∫ 0 π / 2 ln sin 2 x d x = 1 2 ∫ 0 π ln sin u d u = 1 2 ⋅ 2 I = I \int_0^{\pi/2}\ln\sin2x\dx=\dfrac12\int_0^\pi\ln\sin u\du=\dfrac12\cdot2I=I ∫ 0 π /2 ln sin 2 x d x = 2 1 ∫ 0 π ln sin u d u = 2 1 ⋅ 2 I = I 。
sin ( π − u ) = sin u \sin(\pi-u)=\sin u sin ( π − u ) = sin u ,所以 ln sin u \ln\sin u ln sin u 的图像关于 u = π 2 u=\frac\pi2 u = 2 π 左右对称,[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上的积分是 [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上的两倍。
③ (1) 解方程。 2 I = I − π 2 ln 2 2I=I-\dfrac\pi2\ln2 2 I = I − 2 π ln 2 ,I = − π 2 ln 2 I=-\dfrac\pi2\ln2 I = − 2 π ln 2 。
原积分又一次出现,当未知数解。
④ (2) 令 x = tan t x=\tan t x = tan t ,再区间再现。 I = ∫ 0 π / 4 ln ( 1 + tan t ) d t I=\int_0^{\pi/4}\ln(1+\tan t)\dt I = ∫ 0 π /4 ln ( 1 + tan t ) d t ;令 t = π 4 − s t=\frac\pi4-s t = 4 π − s :1 + tan ( π 4 − s ) = 2 1 + tan s 1+\tan\big(\frac\pi4-s\big)=\dfrac2{1+\tan s} 1 + tan ( 4 π − s ) = 1 + tan s 2 ,所以 I = ∫ 0 π / 4 [ ln 2 − ln ( 1 + tan s ) ] d s = π 4 ln 2 − I I=\int_0^{\pi/4}\big[\ln2-\ln(1+\tan s)\big]\dd s=\dfrac\pi4\ln2-I I = ∫ 0 π /4 [ ln 2 − ln ( 1 + tan s ) ] d s = 4 π ln 2 − I 。
换元 x = tan t x=\tan t x = tan t 时 d x = sec 2 t d t \dd x=\sec^2t\dt d x = sec 2 t d t ,1 + x 2 = sec 2 t 1+x^2=\sec^2t 1 + x 2 = sec 2 t ,两者约掉只剩 d t \dt d t ;再用两角差公式化简 1 + tan ( π 4 − s ) 1+\tan\big(\frac\pi4-s\big) 1 + tan ( 4 π − s ) 。
⑤ (2) 结果。 I = π 8 ln 2 I=\dfrac\pi8\ln2 I = 8 π ln 2 。
原函数不是初等函数,但区间再现直接给出了定积分的值。
答案:(1) − π 2 ln 2 -\frac\pi2\ln2 − 2 π ln 2 ;(2) π 8 ln 2 \frac\pi8\ln2 8 π ln 2
4.6 华里士公式:∫ 0 π / 2 sin n x d x \int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx ∫ 0 π /2 sin n x d x 一口报出
大白话:∫ 0 π / 2 sin n x d x \int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx ∫ 0 π /2 sin n x d x 和 ∫ 0 π / 2 cos n x d x \int_0^{\pi/2}\cos^nx\dx ∫ 0 π /2 cos n x d x 相等,而且有现成的答案:从 n − 1 n \frac{n-1}n n n − 1 开始,分子分母每次各减 2,一直乘下去;n n n 是偶数最后乘 π 2 \frac\pi2 2 π ,是奇数最后乘 1 。它来自 2.4 节的递推公式:定积分时边界项为 0。
x y O sin x :面积 1.0000 sin²x :面积 0.7854 sin4 x :面积 0.5890 sin8 x :面积 0.4295 π/2 ∫ 0 π / 2 sin n x d x \int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx ∫ 0 π /2 sin n x d x :n = 1 , 2 , 4 , 8 n=1,2,4,8 n = 1 , 2 , 4 , 8 时面积依次是 1 1 1 、π 4 \frac\pi4 4 π 、3 π 16 \frac{3\pi}{16} 16 3 π 、35 π 256 \frac{35\pi}{256} 256 35 π 。
华里士(点火)公式
∫ 0 π / 2 sin n x d x = ∫ 0 π / 2 cos n x d x = { n − 1 n ⋅ n − 3 n − 2 ⋯ 1 2 ⋅ π 2 , n 为偶数 n − 1 n ⋅ n − 3 n − 2 ⋯ 2 3 ⋅ 1 , n 为奇数 \displaystyle \int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx=\int_0^{\pi/2}\cos^nx\dx=\begin{cases}\dfrac{n-1}n\cdot\dfrac{n-3}{n-2}\cdots\dfrac12\cdot\dfrac\pi2,&n\text{ 为偶数}\\[2mm]\dfrac{n-1}n\cdot\dfrac{n-3}{n-2}\cdots\dfrac23\cdot1,&n\text{ 为奇数}\end{cases} ∫ 0 π /2 sin n x d x = ∫ 0 π /2 cos n x d x = ⎩ ⎨ ⎧ n n − 1 ⋅ n − 2 n − 3 ⋯ 2 1 ⋅ 2 π , n n − 1 ⋅ n − 2 n − 3 ⋯ 3 2 ⋅ 1 , n 为偶数 n 为奇数
∫ 0 π sin n x d x = 2 ∫ 0 π / 2 sin n x d x \int_0^\pi\sin^nx\dx=2\int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx ∫ 0 π sin n x d x = 2 ∫ 0 π /2 sin n x d x ;∫ 0 π cos n x d x \int_0^\pi\cos^nx\dx ∫ 0 π cos n x d x :n n n 偶为 2 ∫ 0 π / 2 2\int_0^{\pi/2} 2 ∫ 0 π /2 ,n n n 奇为 0。
∫ 0 2 π sin n x d x = ∫ 0 2 π cos n x d x \int_0^{2\pi}\sin^nx\dx=\int_0^{2\pi}\cos^nx\dx ∫ 0 2 π sin n x d x = ∫ 0 2 π cos n x d x :n n n 偶为 4 ∫ 0 π / 2 4\int_0^{\pi/2} 4 ∫ 0 π /2 ,n n n 奇为 0。
∫ 0 π / 2 sin m x cos n x d x \int_0^{\pi/2}\sin^mx\cos^nx\dx ∫ 0 π /2 sin m x cos n x d x :把 cos 2 = 1 − sin 2 \cos^2=1-\sin^2 cos 2 = 1 − sin 2 展开,化成几个华里士积分。
方法卡 · 华里士公式
什么时候用
积分区间是
[ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 、
[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 、
[ 0 , 2 π ] [0,2\pi] [ 0 , 2 π ] ,被积函数是
sin n x \sin^nx sin n x 、
cos n x \cos^nx cos n x 或它们的乘积;也包括
∫ 0 a x m a 2 − x 2 d x \int_0^a x^m\sqrt{a^2-x^2}\dx ∫ 0 a x m a 2 − x 2 d x 这种令
x = a sin t x=a\sin t x = a sin t 后变成的样子。
步骤
先把区间化到 [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] (用上面的对称关系)。
乘积 sin m x cos n x \sin^mx\cos^nx sin m x cos n x 用 cos 2 x = 1 − sin 2 x \cos^2x=1-\sin^2x cos 2 x = 1 − sin 2 x 化成单项。
按公式写:分子从 n − 1 n-1 n − 1 开始,分母从 n n n 开始,每次减 2。
最容易错
偶数忘了乘
π 2 \frac\pi2 2 π ,奇数多乘了
π 2 \frac\pi2 2 π ;区间是
[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 时
cos \cos cos 的奇次方积分为 0 却套公式。
例 4.24 李林 第六章 §1 提要 · p131
计算:(1)
∫ 0 π / 2 sin 5 x d x \int_0^{\pi/2}\sin^5x\dx ∫ 0 π /2 sin 5 x d x ;(2)
∫ 0 π / 2 cos 6 x d x \int_0^{\pi/2}\cos^6x\dx ∫ 0 π /2 cos 6 x d x ;(3)
∫ 0 π sin 4 x d x \int_0^\pi\sin^4x\dx ∫ 0 π sin 4 x d x ;(4)
∫ 0 2 π cos 5 x d x \int_0^{2\pi}\cos^5x\dx ∫ 0 2 π cos 5 x d x ;(5)
∫ 0 1 x 4 1 − x 2 d x \int_0^1x^4\sqrt{1-x^2}\dx ∫ 0 1 x 4 1 − x 2 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 奇数。 4 5 ⋅ 2 3 = 8 15 \dfrac45\cdot\dfrac23=\dfrac8{15} 5 4 ⋅ 3 2 = 15 8 。
分子 4、2,分母 5、3,奇数最后不乘 π 2 \frac\pi2 2 π 。
② (2) 偶数。 5 6 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 5 π 32 \dfrac56\cdot\dfrac34\cdot\dfrac12\cdot\dfrac\pi2=\dfrac{5\pi}{32} 6 5 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 32 5 π 。
偶数次:公式里的分数一直乘到 1 2 \frac12 2 1 ,最后还要再乘 π 2 \frac\pi2 2 π (奇数次乘到 2 3 \frac23 3 2 为止,最后乘 1)。
③ (3)(4) 先化区间。 ∫ 0 π sin 4 x d x = 2 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 3 π 8 \int_0^\pi\sin^4x\dx=2\cdot\dfrac34\cdot\dfrac12\cdot\dfrac\pi2=\dfrac{3\pi}8 ∫ 0 π sin 4 x d x = 2 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 8 3 π ;∫ 0 2 π cos 5 x d x = 0 \int_0^{2\pi}\cos^5x\dx=0 ∫ 0 2 π cos 5 x d x = 0 。
sin n \sin^n sin n 在 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上关于 π 2 \frac\pi2 2 π 对称;cos \cos cos 的奇次方在一个整周期上正负抵消。
④ (5) 令 x = sin t x=\sin t x = sin t 。 ∫ 0 π / 2 sin 4 t cos 2 t d t = ∫ 0 π / 2 ( sin 4 t − sin 6 t ) d t = 3 π 16 − 15 π 96 = π 32 \int_0^{\pi/2}\sin^4t\cos^2t\dt=\int_0^{\pi/2}(\sin^4t-\sin^6t)\dt=\dfrac{3\pi}{16}-\dfrac{15\pi}{96}=\dfrac\pi{32} ∫ 0 π /2 sin 4 t cos 2 t d t = ∫ 0 π /2 ( sin 4 t − sin 6 t ) d t = 16 3 π − 96 15 π = 32 π 。
1 − x 2 d x = cos t ⋅ cos t d t \sqrt{1-x^2}\dx=\cos t\cdot\cos t\dt 1 − x 2 d x = cos t ⋅ cos t d t ;cos 2 = 1 − sin 2 \cos^2=1-\sin^2 cos 2 = 1 − sin 2 化成两个华里士积分:3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 3 π 16 \frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2=\frac{3\pi}{16} 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 16 3 π ,5 6 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 15 π 96 \frac56\cdot\frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2=\frac{15\pi}{96} 6 5 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 96 15 π 。
答案:(1) 8 15 \frac8{15} 15 8 ;(2) 5 π 32 \frac{5\pi}{32} 32 5 π ;(3) 3 π 8 \frac{3\pi}8 8 3 π ;(4) 0;(5) π 32 \frac\pi{32} 32 π
4.7 含参数 n n n 的积分:递推
大白话:积分里有一个参数 n n n (x n x^n x n 、sin n x \sin^nx sin n x 、tan n x \tan^nx tan n x ),通常用分部积分把 I n I_n I n 和 I n − 1 I_{n-1} I n − 1 或 I n − 2 I_{n-2} I n − 2 联系起来,得到递推公式 ;再用递推求极限、判单调、算具体的值。
x y O n =0n =1n =4n =12y =x ⁿ√(1−x ²)1 a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x a_n=\int_0^1x^n\sqrt{1-x^2}\dx a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x :n n n 越大面积越小(x n x^n x n 在 [ 0 , 1 ) [0,1) [ 0 , 1 ) 上越来越小),但相邻两项之比趋于 1。
递推的两种来路
分部积分 :拿出一部分凑 d v \dd v d v ,另一部分求导降次,得到 I n = α n I n − 2 I_n=\alpha_nI_{n-2} I n = α n I n − 2 之类(华里士、2019 数一(18))。
加减配对 :I n + I n − 2 = ∫ 0 π / 4 tan n − 2 x sec 2 x d x = 1 n − 1 I_n+I_{n-2}=\int_0^{\pi/4}\tan^{n-2}x\sec^2x\dx=\dfrac1{n-1} I n + I n − 2 = ∫ 0 π /4 tan n − 2 x sec 2 x d x = n − 1 1 。
单调 :被积函数 x n x^n x n 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上随 n n n 减少,所以 I n I_n I n 单调减少——比较大小直接比被积函数。
什么时候用
题目给
a n = ∫ ⋯ x n ⋯ a_n=\int\cdots x^n\cdots a n = ∫ ⋯ x n ⋯ ,要证递推、单调或求
lim \lim lim 。
步骤
单调:比较 a n a_n a n 与 a n − 1 a_{n-1} a n − 1 的被积函数。
递推:分部积分,把求导降次的那部分选成 u u u ;出现原积分就移项。
求 lim a n a n − 1 \lim\frac{a_n}{a_{n-1}} lim a n − 1 a n :用单调性夹住 a n a n − 1 \frac{a_n}{a_{n-1}} a n − 1 a n ,再用递推的比值夹逼。
最容易错
分部时凑
d v \dd v d v 选错(2019 数一(18) 要凑
x 1 − x 2 d x = − 1 3 d ( 1 − x 2 ) 3 / 2 x\sqrt{1-x^2}\dx=-\frac13\dd(1-x^2)^{3/2} x 1 − x 2 d x = − 3 1 d ( 1 − x 2 ) 3/2 );以为
a n a_n a n 递减就有
a n a n − 1 → 0 \frac{a_n}{a_{n-1}}\to0 a n − 1 a n → 0 。
例 4.25 2019 数一(18) 李林 第六章 习题 解答 (6) · p163
设
a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x a_n=\int_0^1x^n\sqrt{1-x^2}\dx a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x (
n = 0 , 1 , 2 , ⋯ n=0,1,2,\cdots n = 0 , 1 , 2 , ⋯ )。(Ⅰ)证明数列
{ a n } \{a_n\} { a n } 单调减少,且
a n = n − 1 n + 2 a n − 2 a_n=\dfrac{n-1}{n+2}a_{n-2} a n = n + 2 n − 1 a n − 2 (
n = 2 , 3 , ⋯ n=2,3,\cdots n = 2 , 3 , ⋯ );(Ⅱ)求
lim n → ∞ a n a n − 1 \lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{a_n}{a_{n-1}} n → ∞ lim a n − 1 a n 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 单调减少。 在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 内 x n < x n − 1 x^n<x^{n-1} x n < x n − 1 ,所以 x n 1 − x 2 < x n − 1 1 − x 2 x^n\sqrt{1-x^2}<x^{n-1}\sqrt{1-x^2} x n 1 − x 2 < x n − 1 1 − x 2 ,积分得 a n < a n − 1 a_n<a_{n-1} a n < a n − 1 。
同区间比较被积函数(3.4 节)。
② 递推:凑 d v \dd v d v 。 x 1 − x 2 d x = − 1 3 d ( 1 − x 2 ) 3 2 x\sqrt{1-x^2}\dx=-\dfrac13\dd(1-x^2)^{\frac32} x 1 − x 2 d x = − 3 1 d ( 1 − x 2 ) 2 3 ,所以 a n = ∫ 0 1 x n − 1 ⋅ x 1 − x 2 d x = − 1 3 x n − 1 ( 1 − x 2 ) 3 2 ∣ 0 1 + n − 1 3 ∫ 0 1 x n − 2 ( 1 − x 2 ) 3 2 d x a_n=\int_0^1x^{n-1}\cdot x\sqrt{1-x^2}\dx=-\dfrac13x^{n-1}(1-x^2)^{\frac32}\Big|_0^1+\dfrac{n-1}3\int_0^1x^{n-2}(1-x^2)^{\frac32}\dx a n = ∫ 0 1 x n − 1 ⋅ x 1 − x 2 d x = − 3 1 x n − 1 ( 1 − x 2 ) 2 3 0 1 + 3 n − 1 ∫ 0 1 x n − 2 ( 1 − x 2 ) 2 3 d x 。
分出一个 x x x 和根号凑成全微分,剩下的 x n − 1 x^{n-1} x n − 1 求导降次;边界项两端都是 0(n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 )。
③ 把 ( 1 − x 2 ) 3 2 (1-x^2)^{\frac32} ( 1 − x 2 ) 2 3 拆开。 ( 1 − x 2 ) 3 2 = ( 1 − x 2 ) 1 − x 2 (1-x^2)^{\frac32}=(1-x^2)\sqrt{1-x^2} ( 1 − x 2 ) 2 3 = ( 1 − x 2 ) 1 − x 2 ,所以 ∫ 0 1 x n − 2 ( 1 − x 2 ) 3 2 d x = a n − 2 − a n \int_0^1x^{n-2}(1-x^2)^{\frac32}\dx=a_{n-2}-a_n ∫ 0 1 x n − 2 ( 1 − x 2 ) 2 3 d x = a n − 2 − a n 。于是 a n = n − 1 3 ( a n − 2 − a n ) a_n=\dfrac{n-1}3(a_{n-2}-a_n) a n = 3 n − 1 ( a n − 2 − a n ) ,解得 a n = n − 1 n + 2 a n − 2 a_n=\dfrac{n-1}{n+2}a_{n-2} a n = n + 2 n − 1 a n − 2 。
原积分 a n a_n a n 又出现,移项。
④ (Ⅱ) 夹逼。 由单调性 a n < a n − 1 < a n − 2 a_n<a_{n-1}<a_{n-2} a n < a n − 1 < a n − 2 ,所以 n − 1 n + 2 = a n a n − 2 < a n a n − 1 < 1 \dfrac{n-1}{n+2}=\dfrac{a_n}{a_{n-2}}<\dfrac{a_n}{a_{n-1}}<1 n + 2 n − 1 = a n − 2 a n < a n − 1 a n < 1 。
把 a n a n − 1 \frac{a_n}{a_{n-1}} a n − 1 a n 夹在 a n a n − 2 \frac{a_n}{a_{n-2}} a n − 2 a n (递推给出)和 1 之间。
⑤ (Ⅱ) 取极限。 n − 1 n + 2 → 1 \dfrac{n-1}{n+2}\to1 n + 2 n − 1 → 1 ,所以 lim a n a n − 1 = 1 \lim\dfrac{a_n}{a_{n-1}}=1 lim a n − 1 a n = 1 。
左边趋于 1、右边就是 1,夹逼准则给出极限 1。
答案:(Ⅰ) 证明题。思路:x n < x n − 1 x^n<x^{n-1} x n < x n − 1 得单调减少;凑 x 1 − x 2 d x = − 1 3 d ( 1 − x 2 ) 3 2 x\sqrt{1-x^2}\dx=-\frac13\dd(1-x^2)^{\frac32} x 1 − x 2 d x = − 3 1 d ( 1 − x 2 ) 2 3 分部积分,( 1 − x 2 ) 3 2 (1-x^2)^{\frac32} ( 1 − x 2 ) 2 3 拆开得 a n = n − 1 3 ( a n − 2 − a n ) a_n=\frac{n-1}3(a_{n-2}-a_n) a n = 3 n − 1 ( a n − 2 − a n ) ;(Ⅱ) 1
例 4.26 李林 第六章 §1 例 10 · p136
(1)设
a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x a_n=\int_0^1x^n\sqrt{1-x^2}\dx a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x ,
b n = ∫ 0 π / 2 sin n t d t b_n=\int_0^{\pi/2}\sin^nt\dt b n = ∫ 0 π /2 sin n t d t ,证明
a n = b n n + 2 a_n=\dfrac{b_n}{n+2} a n = n + 2 b n ,并求
lim a n b n \lim\dfrac{a_n}{b_n} lim b n a n ;(2)设
I n = ∫ 0 π / 4 tan n x d x I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^nx\dx I n = ∫ 0 π /4 tan n x d x ,证明
I n + I n − 2 = 1 n − 1 I_n+I_{n-2}=\dfrac1{n-1} I n + I n − 2 = n − 1 1 (
n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 ),并求
I 4 I_4 I 4 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 令 x = sin t x=\sin t x = sin t 。 a n = ∫ 0 π / 2 sin n t cos 2 t d t = b n − b n + 2 a_n=\int_0^{\pi/2}\sin^nt\cos^2t\dt=b_n-b_{n+2} a n = ∫ 0 π /2 sin n t cos 2 t d t = b n − b n + 2 。
令 x = sin t x=\sin t x = sin t :1 − x 2 = cos t \sqrt{1-x^2}=\cos t 1 − x 2 = cos t ,d x = cos t d t \dd x=\cos t\dt d x = cos t d t ,两个 cos t \cos t cos t 相乘得 cos 2 t \cos^2t cos 2 t ;再用 cos 2 t = 1 − sin 2 t \cos^2t=1-\sin^2t cos 2 t = 1 − sin 2 t 拆成两个华里士积分。
② (1) 用华里士递推。 b n + 2 = n + 1 n + 2 b n b_{n+2}=\dfrac{n+1}{n+2}b_n b n + 2 = n + 2 n + 1 b n (2.4 节递推公式在 [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上边界项为 0),所以 a n = b n − n + 1 n + 2 b n = b n n + 2 a_n=b_n-\dfrac{n+1}{n+2}b_n=\dfrac{b_n}{n+2} a n = b n − n + 2 n + 1 b n = n + 2 b n ,lim a n b n = lim 1 n + 2 = 0 \lim\dfrac{a_n}{b_n}=\lim\dfrac1{n+2}=0 lim b n a n = lim n + 2 1 = 0 。
两个含 n n n 的积分之间的关系,最后比值极限一目了然。
③ (2) 配出 sec 2 x \sec^2x sec 2 x 。 I n + I n − 2 = ∫ 0 π / 4 tan n − 2 x ( tan 2 x + 1 ) d x = ∫ 0 π / 4 tan n − 2 x d tan x = tan n − 1 x n − 1 ∣ 0 π / 4 = 1 n − 1 I_n+I_{n-2}=\int_0^{\pi/4}\tan^{n-2}x(\tan^2x+1)\dx=\int_0^{\pi/4}\tan^{n-2}x\,\dd\tan x=\dfrac{\tan^{n-1}x}{n-1}\Big|_0^{\pi/4}=\dfrac1{n-1} I n + I n − 2 = ∫ 0 π /4 tan n − 2 x ( tan 2 x + 1 ) d x = ∫ 0 π /4 tan n − 2 x d tan x = n − 1 tan n − 1 x 0 π /4 = n − 1 1 。
tan 2 x + 1 = sec 2 x \tan^2x+1=\sec^2x tan 2 x + 1 = sec 2 x ,正好是 tan x \tan x tan x 的导数。
④ (2) 求 I 4 I_4 I 4 。 I 0 = π 4 I_0=\dfrac\pi4 I 0 = 4 π ,I 2 = 1 − I 0 = 1 − π 4 I_2=1-I_0=1-\dfrac\pi4 I 2 = 1 − I 0 = 1 − 4 π ,I 4 = 1 3 − I 2 = π 4 − 2 3 I_4=\dfrac13-I_2=\dfrac\pi4-\dfrac23 I 4 = 3 1 − I 2 = 4 π − 3 2 。
递推式把 I n I_n I n 和 I n − 2 I_{n-2} I n − 2 联系起来(I n + I n − 2 = 1 n − 1 I_n+I_{n-2}=\frac1{n-1} I n + I n − 2 = n − 1 1 ),而 I 0 = ∫ 0 π / 4 d x = π 4 I_0=\int_0^{\pi/4}\dx=\frac\pi4 I 0 = ∫ 0 π /4 d x = 4 π 能直接算,于是 I 0 → I 2 → I 4 I_0\to I_2\to I_4 I 0 → I 2 → I 4 一步步往上推。
答案:(1) 证明题。思路:令 x = sin t x=\sin t x = sin t 得 a n = b n − b n + 2 a_n=b_n-b_{n+2} a n = b n − b n + 2 ,再用 b n + 2 = n + 1 n + 2 b n b_{n+2}=\frac{n+1}{n+2}b_n b n + 2 = n + 2 n + 1 b n ;lim a n b n = 0 \lim\frac{a_n}{b_n}=0 lim b n a n = 0 ;(2) 证明题。思路:tan 2 x + 1 = sec 2 x \tan^2x+1=\sec^2x tan 2 x + 1 = sec 2 x ,凑 d tan x \dd\tan x d tan x ;I 4 = π 4 − 2 3 I_4=\frac\pi4-\frac23 I 4 = 4 π − 3 2
4.8 小结
题目里的说法 换成什么 例子
x \sqrt x x 、⋯ \sqrt{\cdots} ⋯ 的定积分换元,上下限一起换 例 4.1
有理函数定积分 部分分式;分子拆“导数 + 常数” 例 4.2 、例 4.4
反三角 × 它的导数 凑微分,不换限 例 4.3
∫ x f ′ ′ \int xf'' ∫ x f ′′ 、切线条件分部,边界项用 f ( a ) f(a) f ( a ) 、f ′ ( a ) f'(a) f ′ ( a ) 例 4.7 、例 4.10
ln x \ln x ln x 乘幂函数分部,对数当 u u u 例 4.8
只知道 f ′ f' f ′ ,求 ∫ f \int f ∫ f 分部,v v v 取 x − c x-c x − c 让边界项为 0 例 4.10
[ − a , a ] [-a,a] [ − a , a ] 上的积分去奇函数,偶函数翻倍 例 4.11 、例 4.14
2 x − x 2 \sqrt{2x-x^2} 2 x − x 2 、区间关于某点对称平移到关于原点对称 例 4.12 、例 4.13
不奇不偶,但 f ( x ) + f ( − x ) f(x)+f(-x) f ( x ) + f ( − x ) 简单 ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] d x \int_0^a[f(x)+f(-x)]\dx ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x )] d x 例 4.15
∣ sin x ∣ |\sin x| ∣ sin x ∣ 、周期函数按周期平移,与起点无关 例 4.17 、例 4.20
函数方程 f ( x + T ) − f ( x ) = ⋯ f(x+T)-f(x)=\cdots f ( x + T ) − f ( x ) = ⋯ 换元把区间搬到已知区间 例 4.16 、例 4.19
∫ 0 1 ∣ t 2 − x 2 ∣ d t \int_0^1|t^2-x^2|\dt ∫ 0 1 ∣ t 2 − x 2 ∣ d t 按零点位置分情况去绝对值 例 4.18
[ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上 sin \sin sin 与 cos \cos cos 对调区间再现,相加 例 4.21 、例 4.23
∫ 0 π x f ( sin x ) d x \int_0^\pi xf(\sin x)\dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = π 2 ∫ 0 π f ( sin x ) d x =\frac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)\dx = 2 π ∫ 0 π f ( sin x ) d x 例 4.21 、例 4.22
被积函数含 ∫ − π π f \int_{-\pi}^\pi f ∫ − π π f 本身 设定积分为常数 A A A ,两边积分 例 4.22
sin n \sin^n sin n 、cos n \cos^n cos n 、x m 1 − x 2 x^m\sqrt{1-x^2} x m 1 − x 2 华里士公式 例 4.24
a n = ∫ x n ⋯ a_n=\int x^n\cdots a n = ∫ x n ⋯ ,递推、极限分部得递推;单调 + 递推夹逼 例 4.25 、例 4.26
学完了,标记这一部分
第 5 部分
变限积分
积分上限(或下限)是变量时,定积分就成了一个函数。这一部分讲它的求导公式,以及真题里和它绑在一起的极限、无穷小的阶、奇偶、单调极值和再积分。
考试要求(大纲原文,李林讲义第六章第 5 条)
会求积分变限函数的导数。
对应李林讲义第六章第二节“积分变限函数的求导问题”(p140—144)和第一节提要里变上限积分的性质(p129)。大纲只写了一句“会求导数”,但真题把它和极限、无穷小的阶、单调极值、奇偶性、参数方程、反函数绑在一起考:数一 17 年里有 10 道,是积分部分考得最多的一块。
5.1 变限积分求导公式
大白话:Φ ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t \Phi(x)=\int_a^xf(t)\dt Φ ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t 是“从 a a a 到 x x x 的面积”,它随 x x x 变化,是 x x x 的函数。x x x 往右挪一点,面积多一条高 f ( x ) f(x) f ( x ) 的窄条,所以 Φ ′ ( x ) = f ( x ) \Phi'(x)=f(x) Φ ′ ( x ) = f ( x ) ——对上限求导,就是把上限代进被积函数。上限是 x 2 x^2 x 2 、sin x \sin x sin x 这样的式子时,按复合函数再乘上限的导数。
x O y =f (t )面积 Φ(x ) Φ(x )=∫0 x f (t )dt 切线斜率 = f (x ) x Φ ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t \Phi(x)=\int_0^xf(t)\dt Φ ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t 是上图阴影的面积,下图是它的图像;Φ \Phi Φ 在 x x x 处的切线斜率等于 f ( x ) f(x) f ( x ) 。
求导公式(f f f 连续)
d d x ∫ a x f ( t ) d t = f ( x ) , \displaystyle \frac{\dd}{\dd x}\int_a^xf(t)\dt=f(x), d x d ∫ a x f ( t ) d t = f ( x ) , d d x ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t = f ( φ ( x ) ) φ ′ ( x ) − f ( ψ ( x ) ) ψ ′ ( x ) . \displaystyle \frac{\dd}{\dd x}\int_{\psi(x)}^{\varphi(x)}f(t)\dt=f\big(\varphi(x)\big)\varphi'(x)-f\big(\psi(x)\big)\psi'(x). d x d ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t = f ( φ ( x ) ) φ ′ ( x ) − f ( ψ ( x ) ) ψ ′ ( x ) .
这也证明了 1.4 节的结论:连续函数一定有原函数(∫ a x f \int_a^xf ∫ a x f 就是一个)。下限求导带负号,因为 ∫ ψ a = − ∫ a ψ \int_{\psi}^{a}=-\int_a^{\psi} ∫ ψ a = − ∫ a ψ 。
方法卡 · 变限积分求导
什么时候用
函数、方程、参数式里出现
∫ ⋯ ⋯ f ( t ) d t \int_{\cdots}^{\cdots}f(t)\dt ∫ ⋯ ⋯ f ( t ) d t ,积分限含
x x x ,被积函数只含
t t t 。
步骤
确认被积函数里没有 x x x (有的话看 5.2 节)。
上限代进被积函数,乘上限的导数;减去下限代进去乘下限的导数。
在参数方程、隐函数、反函数题里,这一步只是“求一阶导数”的一个零件,后面按那一类题的套路走。
最容易错
忘了乘上限的导数:
( ∫ 0 x 2 e t 2 d t ) ′ = e x 4 ⋅ 2 x \big(\int_0^{x^2}\e^{t^2}\dt\big)'=\e^{x^4}\cdot2x ( ∫ 0 x 2 e t 2 d t ) ′ = e x 4 ⋅ 2 x ,不是
e x 4 \e^{x^4} e x 4 ;把
∫ a x f ( t ) d t \int_a^xf(t)\dt ∫ a x f ( t ) d t 求导写成
f ( t ) f(t) f ( t ) 。
例 5.1 基础
求导:(1)
d d x ∫ 0 x 2 1 + t 3 d t \dfrac{\dd}{\dd x}\int_0^{x^2}\sqrt{1+t^3}\dt d x d ∫ 0 x 2 1 + t 3 d t ;(2)
d d x ∫ sin x cos x e t 2 d t \dfrac{\dd}{\dd x}\int_{\sin x}^{\cos x}\e^{t^2}\dt d x d ∫ s i n x c o s x e t 2 d t ;(3)
d d x ∫ x 1 sin t t d t \dfrac{\dd}{\dd x}\int_x^1\dfrac{\sin t}t\dt d x d ∫ x 1 t sin t d t 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 上限 x 2 x^2 x 2 。 1 + ( x 2 ) 3 ⋅ 2 x = 2 x 1 + x 6 \sqrt{1+(x^2)^3}\cdot2x=2x\sqrt{1+x^6} 1 + ( x 2 ) 3 ⋅ 2 x = 2 x 1 + x 6 。
上限代入被积函数,再乘 ( x 2 ) ′ = 2 x (x^2)'=2x ( x 2 ) ′ = 2 x 。
② (2) 上下限都含 x x x 。 e cos 2 x ⋅ ( − sin x ) − e sin 2 x ⋅ cos x \e^{\cos^2x}\cdot(-\sin x)-\e^{\sin^2x}\cdot\cos x e c o s 2 x ⋅ ( − sin x ) − e s i n 2 x ⋅ cos x 。
上限项减下限项,各乘自己的导数。
③ (3) 下限是 x x x 。 − sin x x -\dfrac{\sin x}x − x sin x 。
∫ x 1 = − ∫ 1 x \int_x^1=-\int_1^x ∫ x 1 = − ∫ 1 x ,求导多一个负号。
答案:(1) 2 x 1 + x 6 2x\sqrt{1+x^6} 2 x 1 + x 6 ;(2) − sin x e cos 2 x − cos x e sin 2 x -\sin x\,\e^{\cos^2x}-\cos x\,\e^{\sin^2x} − sin x e c o s 2 x − cos x e s i n 2 x ;(3) − sin x x -\frac{\sin x}x − x s i n x
例 5.2 2010 数一(9)
设
{ x = e − t y = ∫ 0 t ln ( 1 + u 2 ) d u \begin{cases}x=\e^{-t}\\y=\int_0^t\ln(1+u^2)\du\end{cases} { x = e − t y = ∫ 0 t ln ( 1 + u 2 ) d u ,则
d 2 y d x 2 ∣ t = 0 = \dfrac{\dd^2y}{\dd x^2}\Big|_{t=0}= d x 2 d 2 y t = 0 = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 一阶导数。 d y d t = ln ( 1 + t 2 ) \dfrac{\dd y}{\dd t}=\ln(1+t^2) d t d y = ln ( 1 + t 2 ) ,d x d t = − e − t \dfrac{\dd x}{\dd t}=-\e^{-t} d t d x = − e − t ,d y d x = − e t ln ( 1 + t 2 ) \dfrac{\dd y}{\dd x}=-\e^t\ln(1+t^2) d x d y = − e t ln ( 1 + t 2 ) 。
y y y 是变上限积分,对 t t t 求导就是把 t t t 代进被积函数;参数方程 d y d x = y t x t \frac{\dd y}{\dd x}=\frac{y_t}{x_t} d x d y = x t y t 。
② 二阶导数。 d 2 y d x 2 = d d t ( d y d x ) d x d t = − e t ln ( 1 + t 2 ) − e t ⋅ 2 t 1 + t 2 − e − t = e 2 t [ ln ( 1 + t 2 ) + 2 t 1 + t 2 ] \dfrac{\dd^2y}{\dd x^2}=\dfrac{\frac{\dd}{\dd t}\big(\frac{\dd y}{\dd x}\big)}{\frac{\dd x}{\dd t}}=\dfrac{-\e^t\ln(1+t^2)-\e^t\cdot\frac{2t}{1+t^2}}{-\e^{-t}}=\e^{2t}\Big[\ln(1+t^2)+\dfrac{2t}{1+t^2}\Big] d x 2 d 2 y = d t d x d t d ( d x d y ) = − e − t − e t ln ( 1 + t 2 ) − e t ⋅ 1 + t 2 2 t = e 2 t [ ln ( 1 + t 2 ) + 1 + t 2 2 t ] 。
参数方程的二阶导:一阶导数再对 t t t 求导,再除以 x t x_t x t 。
③ 代 t = 0 t=0 t = 0 。 e 0 ( 0 + 0 ) = 0 \e^0(0+0)=0 e 0 ( 0 + 0 ) = 0 。
两项在 t = 0 t=0 t = 0 时都为 0。
答案:0
例 5.3 2015 数二(11)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 连续,
φ ( x ) = ∫ 0 x 2 x f ( t ) d t \varphi(x)=\int_0^{x^2}xf(t)\dt φ ( x ) = ∫ 0 x 2 x f ( t ) d t 。若
φ ( 1 ) = 1 \varphi(1)=1 φ ( 1 ) = 1 ,
φ ′ ( 1 ) = 5 \varphi'(1)=5 φ ′ ( 1 ) = 5 ,则
f ( 1 ) = f(1)= f ( 1 ) = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① x x x 提到积分号外。 φ ( x ) = x ∫ 0 x 2 f ( t ) d t \varphi(x)=x\int_0^{x^2}f(t)\dt φ ( x ) = x ∫ 0 x 2 f ( t ) d t ,φ ( 1 ) = ∫ 0 1 f ( t ) d t = 1 \varphi(1)=\int_0^1f(t)\dt=1 φ ( 1 ) = ∫ 0 1 f ( t ) d t = 1 。
被积函数里的 x x x 与积分变量 t t t 无关,可以提出去(5.2 节第②类)。
② 乘积法则求导。 φ ′ ( x ) = ∫ 0 x 2 f ( t ) d t + x ⋅ f ( x 2 ) ⋅ 2 x \varphi'(x)=\int_0^{x^2}f(t)\dt+x\cdot f(x^2)\cdot2x φ ′ ( x ) = ∫ 0 x 2 f ( t ) d t + x ⋅ f ( x 2 ) ⋅ 2 x ,φ ′ ( 1 ) = 1 + 2 f ( 1 ) = 5 \varphi'(1)=1+2f(1)=5 φ ′ ( 1 ) = 1 + 2 f ( 1 ) = 5 。
前一项用 φ ( 1 ) \varphi(1) φ ( 1 ) 的信息;后一项是变限积分求导。
③ 解出。 f ( 1 ) = 2 f(1)=2 f ( 1 ) = 2 。
1 + 2 f ( 1 ) = 5 1+2f(1)=5 1 + 2 f ( 1 ) = 5 是关于 f ( 1 ) f(1) f ( 1 ) 的一次方程。
答案:2
例 5.4 2010 数三(9)
设可导函数
y = y ( x ) y=y(x) y = y ( x ) 由方程
∫ 0 x + y e − t 2 d t = ∫ 0 x x sin t 2 d t \int_0^{x+y}\e^{-t^2}\dt=\int_0^xx\sin t^2\dt ∫ 0 x + y e − t 2 d t = ∫ 0 x x sin t 2 d t 确定,则
d y d x ∣ x = 0 = \dfrac{\dd y}{\dd x}\Big|_{x=0}= d x d y x = 0 = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 先求 y ( 0 ) y(0) y ( 0 ) 。 x = 0 x=0 x = 0 :∫ 0 y e − t 2 d t = 0 \int_0^{y}\e^{-t^2}\dt=0 ∫ 0 y e − t 2 d t = 0 ,被积函数恒正,所以 y ( 0 ) = 0 y(0)=0 y ( 0 ) = 0 。
隐函数求导前先定出该点的函数值。
② 两边对 x x x 求导。 左边 e − ( x + y ) 2 ( 1 + y ′ ) \e^{-(x+y)^2}(1+y') e − ( x + y ) 2 ( 1 + y ′ ) ;右边 ( x ∫ 0 x sin t 2 d t ) ′ = ∫ 0 x sin t 2 d t + x sin x 2 \big(x\int_0^x\sin t^2\dt\big)'=\int_0^x\sin t^2\dt+x\sin x^2 ( x ∫ 0 x sin t 2 d t ) ′ = ∫ 0 x sin t 2 d t + x sin x 2 。
右边的 x x x 先提出去再用乘积法则。
③ 代 x = 0 x=0 x = 0 ,y = 0 y=0 y = 0 。 1 ⋅ ( 1 + y ′ ( 0 ) ) = 0 1\cdot(1+y'(0))=0 1 ⋅ ( 1 + y ′ ( 0 )) = 0 ,y ′ ( 0 ) = − 1 y'(0)=-1 y ′ ( 0 ) = − 1 。
右边两项在 0 处都是 0。
答案:− 1 -1 − 1
例 5.5 2025 数二(14)
已知函数
y = y ( x ) y=y(x) y = y ( x ) 由
{ x = ln ( 1 + 2 t ) 2 t − ∫ 1 y + t 2 e − u 2 d u = 0 \begin{cases}x=\ln(1+2t)\\2t-\int_1^{y+t^2}\e^{-u^2}\du=0\end{cases} { x = ln ( 1 + 2 t ) 2 t − ∫ 1 y + t 2 e − u 2 d u = 0 确定,则
d y d x ∣ t = 0 = \dfrac{\dd y}{\dd x}\Big|_{t=0}= d x d y t = 0 = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① t = 0 t=0 t = 0 时的 y y y 。 ∫ 1 y e − u 2 d u = 0 \int_1^{y}\e^{-u^2}\du=0 ∫ 1 y e − u 2 d u = 0 ,所以 y = 1 y=1 y = 1 。
被积函数恒正,积分为 0 只能上下限相同。
② 第二式对 t t t 求导。 2 − e − ( y + t 2 ) 2 ( y t + 2 t ) = 0 2-\e^{-(y+t^2)^2}\big(y_t+2t\big)=0 2 − e − ( y + t 2 ) 2 ( y t + 2 t ) = 0 ,代 t = 0 t=0 t = 0 、y = 1 y=1 y = 1 :2 − e − 1 y t = 0 2-\e^{-1}y_t=0 2 − e − 1 y t = 0 ,y t = 2 e y_t=2\e y t = 2 e 。
y y y 是 t t t 的函数,上限 y + t 2 y+t^2 y + t 2 对 t t t 求导得 y t + 2 t y_t+2t y t + 2 t 。
③ 参数方程求导。 x t = 2 1 + 2 t = 2 x_t=\dfrac2{1+2t}=2 x t = 1 + 2 t 2 = 2 (t = 0 t=0 t = 0 ),d y d x = 2 e 2 = e \dfrac{\dd y}{\dd x}=\dfrac{2\e}2=\e d x d y = 2 2 e = e 。
参数方程求导:y y y 和 x x x 都是 t t t 的函数,d y d x = d y / d t d x / d t \frac{\dd y}{\dd x}=\frac{\dd y/\dd t}{\dd x/\dd t} d x d y = d x / d t d y / d t 。
答案:e \e e
例 5.6 2013 数二(10)
设函数
f ( x ) = ∫ − 1 x 1 − e t d t f(x)=\int_{-1}^x\sqrt{1-\e^t}\dt f ( x ) = ∫ − 1 x 1 − e t d t ,则
y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 的反函数
x = f − 1 ( y ) x=f^{-1}(y) x = f − 1 ( y ) 在
y = 0 y=0 y = 0 处的导数
d x d y ∣ y = 0 = \dfrac{\dd x}{\dd y}\Big|_{y=0}= d y d x y = 0 = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① y = 0 y=0 y = 0 对应哪个 x x x 。 f ( − 1 ) = 0 f(-1)=0 f ( − 1 ) = 0 (上下限相同),所以 y = 0 y=0 y = 0 对应 x = − 1 x=-1 x = − 1 。
反函数的导数要在对应的点上算。
② 反函数求导。 f ′ ( x ) = 1 − e x f'(x)=\sqrt{1-\e^x} f ′ ( x ) = 1 − e x ,f ′ ( − 1 ) = 1 − e − 1 f'(-1)=\sqrt{1-\e^{-1}} f ′ ( − 1 ) = 1 − e − 1 ,d x d y ∣ y = 0 = 1 f ′ ( − 1 ) = 1 1 − e − 1 = e e − 1 \dfrac{\dd x}{\dd y}\Big|_{y=0}=\dfrac1{f'(-1)}=\dfrac1{\sqrt{1-\e^{-1}}}=\sqrt{\dfrac\e{\e-1}} d y d x y = 0 = f ′ ( − 1 ) 1 = 1 − e − 1 1 = e − 1 e 。
反函数的导数等于原函数导数的倒数。
答案:e e − 1 \sqrt{\frac{\e}{\e-1}} e − 1 e
例 5.7 2026 数二(6)
已知
f ( x ) = ∫ 1 x 3 e t 1 + t 2 d t f(x)=\int_1^{x^3}\dfrac{\e^t}{1+t^2}\dt f ( x ) = ∫ 1 x 3 1 + t 2 e t d t ,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为
f ( x ) f(x) f ( x ) 的反函数,则( )
(A)
g ( 0 ) = 1 g(0)=1 g ( 0 ) = 1 ,
g ′ ( 0 ) = 3 2 e g'(0)=\dfrac3{2\e} g ′ ( 0 ) = 2 e 3 (B)
g ( 0 ) = 1 g(0)=1 g ( 0 ) = 1 ,
g ′ ( 0 ) = 2 3 e g'(0)=\dfrac2{3\e} g ′ ( 0 ) = 3 e 2 (C)
g ( 1 ) = 0 g(1)=0 g ( 1 ) = 0 ,
g ′ ( 0 ) = 3 2 e g'(0)=\dfrac3{2\e} g ′ ( 0 ) = 2 e 3 (D)
g ( 1 ) = 0 g(1)=0 g ( 1 ) = 0 ,
g ′ ( 0 ) = 2 3 e g'(0)=\dfrac2{3\e} g ′ ( 0 ) = 3 e 2
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 找对应点。 f ( 1 ) = ∫ 1 1 = 0 f(1)=\int_1^1=0 f ( 1 ) = ∫ 1 1 = 0 ,所以 g ( 0 ) = 1 g(0)=1 g ( 0 ) = 1 。
f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 等价于 g ( 0 ) = 1 g(0)=1 g ( 0 ) = 1 ;(C)(D)把自变量和函数值弄反了。
② 求 f ′ ( 1 ) f'(1) f ′ ( 1 ) 。 f ′ ( x ) = e x 3 1 + x 6 ⋅ 3 x 2 f'(x)=\dfrac{\e^{x^3}}{1+x^6}\cdot3x^2 f ′ ( x ) = 1 + x 6 e x 3 ⋅ 3 x 2 ,f ′ ( 1 ) = 3 e 2 f'(1)=\dfrac{3\e}2 f ′ ( 1 ) = 2 3 e 。
上限是 x 3 x^3 x 3 ,按复合函数求导:先把 x 3 x^3 x 3 代进被积函数,再乘上限的导数 3 x 2 3x^2 3 x 2 。
③ 反函数导数。 g ′ ( 0 ) = 1 f ′ ( 1 ) = 2 3 e g'(0)=\dfrac1{f'(1)}=\dfrac2{3\e} g ′ ( 0 ) = f ′ ( 1 ) 1 = 3 e 2 ,所以选(B)。
反函数在对应点的导数是原函数导数的倒数:g ′ ( 0 ) = 1 f ′ ( 1 ) g'(0)=\frac1{f'(1)} g ′ ( 0 ) = f ′ ( 1 ) 1 。
答案:B
5.2 被积函数里含 x x x :先提出去或换元
大白话:求导公式只管“积分限里的 x x x ”。被积函数里也有 x x x 时,必须先把 x x x 请出来:能提就提到积分号外面;提不出来(如 f ( x t ) f(xt) f ( x t ) 、f ( x − t ) f(x-t) f ( x − t ) ),就换元,把 x x x 挪到积分限上 。
① 限是 x 的函数 ∫a φ ( x ) f (t )dt → f (φ (x ))·φ ′(x ) ② 被积函数里 x 能提出 ∫0 x ( x −t )f (t )dt = x ∫f − ∫t f ③ x 与 t 缠在一起 ∫0 ¹ f (xt )dt :令 u =xt 换元 变限积分求导的三种情况:①直接用公式;②把 x x x 提出来再用乘积法则;③换元把 x x x 挪到积分限上。
三类(李林 p140)
乘积型:( ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t ) ′ = ( x ∫ 0 x f − ∫ 0 x t f ) ′ = ∫ 0 x f ( t ) d t \Big(\int_0^x(x-t)f(t)\dt\Big)'=\Big(x\int_0^xf-\int_0^xtf\Big)'=\int_0^xf(t)\dt ( ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t ) ′ = ( x ∫ 0 x f − ∫ 0 x t f ) ′ = ∫ 0 x f ( t ) d t 。
换元型:∫ 0 x f ( x − t ) d t → u = x − t ∫ 0 x f ( u ) d u \int_0^xf(x-t)\dt\xrightarrow{u=x-t}\int_0^xf(u)\du ∫ 0 x f ( x − t ) d t u = x − t ∫ 0 x f ( u ) d u ;∫ 0 1 f ( x t ) d t → u = x t 1 x ∫ 0 x f ( u ) d u \int_0^1f(xt)\dt\xrightarrow{u=xt}\dfrac1x\int_0^xf(u)\du ∫ 0 1 f ( x t ) d t u = x t x 1 ∫ 0 x f ( u ) d u (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 );∫ 0 x t f ( x 2 − t 2 ) d t → u = x 2 − t 2 1 2 ∫ 0 x 2 f ( u ) d u \int_0^xtf(x^2-t^2)\dt\xrightarrow{u=x^2-t^2}\dfrac12\int_0^{x^2}f(u)\du ∫ 0 x t f ( x 2 − t 2 ) d t u = x 2 − t 2 2 1 ∫ 0 x 2 f ( u ) d u 。
步骤
x x x 只是乘在外面(如 ( x − t ) f ( t ) (x-t)f(t) ( x − t ) f ( t ) 、x 2 f ( t ) x^2f(t) x 2 f ( t ) ):展开,把 x x x 提出积分号。
x x x 和 t t t 在 f f f 的括号里(f ( x − t ) f(x-t) f ( x − t ) 、f ( x t ) f(xt) f ( x t ) 、f ( x 2 − t 2 ) f(x^2-t^2) f ( x 2 − t 2 ) ):令 u = u= u = 括号里的式子,换元,注意上下限也换。
然后用 5.1 节的公式,必要时再用乘积法则。
换元时 x x x 当常数看待。
最容易错
直接对
∫ 0 x f ( x − t ) d t \int_0^xf(x-t)\dt ∫ 0 x f ( x − t ) d t 用公式写成
f ( 0 ) f(0) f ( 0 ) ;只给了
f f f 连续却对
f f f 用第二次洛必达(要用导数定义)。
例 5.8 李林 第六章 §2 例 3、例 4 · p141—142
(1)设
F ( x ) = ∫ 0 x t f ( x 2 − t 2 ) d t F(x)=\int_0^xtf(x^2-t^2)\dt F ( x ) = ∫ 0 x t f ( x 2 − t 2 ) d t ,
f f f 在 0 的邻域内连续可导,
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,
f ′ ( 0 ) = 1 f'(0)=1 f ′ ( 0 ) = 1 ,求
lim x → 0 F ( x ) x 4 \lim\limits_{x\to0}\dfrac{F(x)}{x^4} x → 0 lim x 4 F ( x ) 。(2)设
f f f 连续,
f ( 0 ) ≠ 0 f(0)\ne0 f ( 0 ) = 0 ,求
lim x → 0 ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t x ∫ 0 x f ( x − t ) d t \lim\limits_{x\to0}\dfrac{\int_0^x(x-t)f(t)\dt}{x\int_0^xf(x-t)\dt} x → 0 lim x ∫ 0 x f ( x − t ) d t ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 换元去掉 x x x 。 u = x 2 − t 2 u=x^2-t^2 u = x 2 − t 2 ,d u = − 2 t d t \dd u=-2t\dt d u = − 2 t d t ,t : 0 → x t:0\to x t : 0 → x 对应 u : x 2 → 0 u:x^2\to0 u : x 2 → 0 :F ( x ) = 1 2 ∫ 0 x 2 f ( u ) d u F(x)=\dfrac12\int_0^{x^2}f(u)\du F ( x ) = 2 1 ∫ 0 x 2 f ( u ) d u 。
f f f 的括号里 x x x 、t t t 缠在一起,换元把 x x x 挪到积分限上。
② (1) 洛必达一次,再用导数定义。 lim F ( x ) x 4 = lim 1 2 f ( x 2 ) ⋅ 2 x 4 x 3 = 1 4 lim f ( x 2 ) x 2 = 1 4 f ′ ( 0 ) = 1 4 \lim\dfrac{F(x)}{x^4}=\lim\dfrac{\frac12f(x^2)\cdot2x}{4x^3}=\dfrac14\lim\dfrac{f(x^2)}{x^2}=\dfrac14f'(0)=\dfrac14 lim x 4 F ( x ) = lim 4 x 3 2 1 f ( x 2 ) ⋅ 2 x = 4 1 lim x 2 f ( x 2 ) = 4 1 f ′ ( 0 ) = 4 1 。
f ( x 2 ) − f ( 0 ) x 2 − 0 → f ′ ( 0 ) \frac{f(x^2)-f(0)}{x^2-0}\to f'(0) x 2 − 0 f ( x 2 ) − f ( 0 ) → f ′ ( 0 ) 是导数定义;如果再洛必达一次要用到 f ′ f' f ′ 在 0 附近连续,题目条件不一定给,所以用定义更稳。
③ (2) 分子提 x x x ,分母换元。 分子 N = x ∫ 0 x f − ∫ 0 x t f N=x\int_0^xf-\int_0^xtf N = x ∫ 0 x f − ∫ 0 x t f ,N ′ = ∫ 0 x f N'=\int_0^xf N ′ = ∫ 0 x f ;分母 D = x ∫ 0 x f ( u ) d u D=x\int_0^xf(u)\du D = x ∫ 0 x f ( u ) d u ,D ′ = ∫ 0 x f + x f ( x ) D'=\int_0^xf+xf(x) D ′ = ∫ 0 x f + x f ( x ) 。
f ( x − t ) f(x-t) f ( x − t ) 里 x x x 和 t t t 搅在一起,令 u = x − t u=x-t u = x − t :t t t 从 0 到 x x x 时 u u u 从 x x x 到 0,d t = − d u \dd t=-\du d t = − d u ,这个负号把上下限翻回来,得到 ∫ 0 x f ( u ) d u \int_0^xf(u)\du ∫ 0 x f ( u ) d u 。
④ (2) 洛必达后用积分中值定理。 N ′ D ′ = ∫ 0 x f ∫ 0 x f + x f ( x ) = x f ( ξ ) x f ( ξ ) + x f ( x ) = f ( ξ ) f ( ξ ) + f ( x ) → f ( 0 ) 2 f ( 0 ) = 1 2 \dfrac{N'}{D'}=\dfrac{\int_0^xf}{\int_0^xf+xf(x)}=\dfrac{xf(\xi)}{xf(\xi)+xf(x)}=\dfrac{f(\xi)}{f(\xi)+f(x)}\to\dfrac{f(0)}{2f(0)}=\dfrac12 D ′ N ′ = ∫ 0 x f + x f ( x ) ∫ 0 x f = x f ( ξ ) + x f ( x ) x f ( ξ ) = f ( ξ ) + f ( x ) f ( ξ ) → 2 f ( 0 ) f ( 0 ) = 2 1 。
ξ \xi ξ 在 0 与 x x x 之间,x → 0 x\to0 x → 0 时 ξ → 0 \xi\to0 ξ → 0 ;f ( 0 ) ≠ 0 f(0)\ne0 f ( 0 ) = 0 保证分母不为 0。
答案:(1) 1 4 \frac14 4 1 ;(2) 1 2 \frac12 2 1
例 5.9 2017 数二(15)
求
lim x → 0 + ∫ 0 x x − t e t d t x 3 \lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{\int_0^x\sqrt{x-t}\,\e^t\dt}{\sqrt{x^3}} x → 0 + lim x 3 ∫ 0 x x − t e t d t 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 换元把 x x x 从根号里挪走。 令 u = x − t u=x-t u = x − t :∫ 0 x x − t e t d t = ∫ 0 x u e x − u d u = e x ∫ 0 x u e − u d u \int_0^x\sqrt{x-t}\,\e^t\dt=\int_0^x\sqrt u\,\e^{x-u}\du=\e^x\int_0^x\sqrt u\,\e^{-u}\du ∫ 0 x x − t e t d t = ∫ 0 x u e x − u d u = e x ∫ 0 x u e − u d u 。
x − t \sqrt{x-t} x − t 里 x x x 、t t t 缠在一起,令 u = x − t u=x-t u = x − t ;e x \e^{x} e x 与 u u u 无关,提出去。
② 洛必达。 原式 = lim e x ⋅ lim ∫ 0 x u e − u d u x 3 / 2 = 1 ⋅ lim x e − x 3 2 x 1 / 2 = 2 3 =\lim\e^x\cdot\lim\dfrac{\int_0^x\sqrt u\,\e^{-u}\du}{x^{3/2}}=1\cdot\lim\dfrac{\sqrt x\,\e^{-x}}{\frac32x^{1/2}}=\dfrac23 = lim e x ⋅ lim x 3/2 ∫ 0 x u e − u d u = 1 ⋅ lim 2 3 x 1/2 x e − x = 3 2 。
分子分母都趋于 0;分子求导用 5.1 节公式。
答案:2 3 \frac23 3 2
例 5.10 2020 数二(16)
已知函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 连续且
lim x → 0 f ( x ) x = 1 \lim\limits_{x\to0}\dfrac{f(x)}x=1 x → 0 lim x f ( x ) = 1 ,
g ( x ) = ∫ 0 1 f ( x t ) d t g(x)=\int_0^1f(xt)\dt g ( x ) = ∫ 0 1 f ( x t ) d t ,求
g ′ ( x ) g'(x) g ′ ( x ) ,并证明
g ′ ( x ) g'(x) g ′ ( x ) 在
x = 0 x=0 x = 0 处连续。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 先得 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,写出 g g g 。 f f f 连续且 f ( x ) x → 1 \frac{f(x)}x\to1 x f ( x ) → 1 ,所以 f ( 0 ) = lim f ( x ) = 0 f(0)=\lim f(x)=0 f ( 0 ) = lim f ( x ) = 0 。x ≠ 0 x\ne0 x = 0 时令 u = x t u=xt u = x t :g ( x ) = 1 x ∫ 0 x f ( u ) d u g(x)=\dfrac1x\int_0^xf(u)\du g ( x ) = x 1 ∫ 0 x f ( u ) d u ;g ( 0 ) = ∫ 0 1 f ( 0 ) d t = 0 g(0)=\int_0^1f(0)\dt=0 g ( 0 ) = ∫ 0 1 f ( 0 ) d t = 0 。
分母趋于 0 而比值有极限,分子必趋于 0;x = 0 x=0 x = 0 时直接代入定义。
② x ≠ 0 x\ne0 x = 0 时求导。 g ′ ( x ) = x f ( x ) − ∫ 0 x f ( u ) d u x 2 g'(x)=\dfrac{xf(x)-\int_0^xf(u)\du}{x^2} g ′ ( x ) = x 2 x f ( x ) − ∫ 0 x f ( u ) d u 。
1 x ∫ 0 x f \frac1x\int_0^xf x 1 ∫ 0 x f 是商(或乘积),用求导法则,上限 x x x 的积分求导得 f ( x ) f(x) f ( x ) 。
③ x = 0 x=0 x = 0 处用导数定义。 g ′ ( 0 ) = lim x → 0 g ( x ) x = lim ∫ 0 x f x 2 = lim f ( x ) 2 x = 1 2 g'(0)=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{g(x)}x=\lim\dfrac{\int_0^xf}{x^2}=\lim\dfrac{f(x)}{2x}=\dfrac12 g ′ ( 0 ) = x → 0 lim x g ( x ) = lim x 2 ∫ 0 x f = lim 2 x f ( x ) = 2 1 。
分段点处不能套公式;洛必达一次后用题目条件。
④ 证连续。 lim x → 0 g ′ ( x ) = lim f ( x ) x − lim ∫ 0 x f x 2 = 1 − 1 2 = 1 2 = g ′ ( 0 ) \lim\limits_{x\to0}g'(x)=\lim\dfrac{f(x)}x-\lim\dfrac{\int_0^xf}{x^2}=1-\dfrac12=\dfrac12=g'(0) x → 0 lim g ′ ( x ) = lim x f ( x ) − lim x 2 ∫ 0 x f = 1 − 2 1 = 2 1 = g ′ ( 0 ) 。
拆成两项,第二项就是第③步的极限。
答案:g ′ ( x ) = x f ( x ) − ∫ 0 x f ( u ) d u x 2 g'(x)=\frac{xf(x)-\int_0^xf(u)\du}{x^2} g ′ ( x ) = x 2 x f ( x ) − ∫ 0 x f ( u ) d u (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 ),g ′ ( 0 ) = 1 2 g'(0)=\frac12 g ′ ( 0 ) = 2 1 ;证明题。思路:x = 0 x=0 x = 0 处用导数定义求出 g ′ ( 0 ) = 1 2 g'(0)=\frac12 g ′ ( 0 ) = 2 1 ,再算 lim x → 0 g ′ ( x ) = 1 − 1 2 = 1 2 = g ′ ( 0 ) \lim\limits_{x\to0}g'(x)=1-\frac12=\frac12=g'(0) x → 0 lim g ′ ( x ) = 1 − 2 1 = 2 1 = g ′ ( 0 )
例 5.11 2026 数二(18)
已知
g ( x ) g(x) g ( x ) 连续,设
f ( x ) = ∫ 0 x 2 g ( x t ) d t f(x)=\int_0^{x^2}g(xt)\dt f ( x ) = ∫ 0 x 2 g ( x t ) d t ,求
f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) ,判断
f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) 在
x = 0 x=0 x = 0 处的连续性。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 换元。 x ≠ 0 x\ne0 x = 0 时令 u = x t u=xt u = x t ,t : 0 → x 2 t:0\to x^2 t : 0 → x 2 对应 u : 0 → x 3 u:0\to x^3 u : 0 → x 3 :f ( x ) = 1 x ∫ 0 x 3 g ( u ) d u f(x)=\dfrac1x\int_0^{x^3}g(u)\du f ( x ) = x 1 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u ;f ( 0 ) = ∫ 0 0 = 0 f(0)=\int_0^0=0 f ( 0 ) = ∫ 0 0 = 0 。
令 u = x t u=xt u = x t ,把 x x x 当常数,d u = x d t \dd u=x\dt d u = x d t ;t t t 的上限 x 2 x^2 x 2 对应 u = x ⋅ x 2 = x 3 u=x\cdot x^2=x^3 u = x ⋅ x 2 = x 3 。
② x ≠ 0 x\ne0 x = 0 时求导。 f ′ ( x ) = − 1 x 2 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u + 1 x ⋅ g ( x 3 ) ⋅ 3 x 2 = 3 x g ( x 3 ) − 1 x 2 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u f'(x)=-\dfrac1{x^2}\int_0^{x^3}g(u)\du+\dfrac1x\cdot g(x^3)\cdot3x^2=3xg(x^3)-\dfrac1{x^2}\int_0^{x^3}g(u)\du f ′ ( x ) = − x 2 1 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u + x 1 ⋅ g ( x 3 ) ⋅ 3 x 2 = 3 xg ( x 3 ) − x 2 1 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u 。
乘积(商)法则,第二项的上限 x 3 x^3 x 3 要乘 3 x 2 3x^2 3 x 2 。
③ x = 0 x=0 x = 0 处用定义。 f ′ ( 0 ) = lim f ( x ) x = lim ∫ 0 x 3 g x 2 = lim g ( x 3 ) ⋅ 3 x 2 2 x = lim 3 2 x g ( x 3 ) = 0 f'(0)=\lim\dfrac{f(x)}x=\lim\dfrac{\int_0^{x^3}g}{x^2}=\lim\dfrac{g(x^3)\cdot3x^2}{2x}=\lim\dfrac32xg(x^3)=0 f ′ ( 0 ) = lim x f ( x ) = lim x 2 ∫ 0 x 3 g = lim 2 x g ( x 3 ) ⋅ 3 x 2 = lim 2 3 xg ( x 3 ) = 0 。
洛必达后 g ( x 3 ) → g ( 0 ) g(x^3)\to g(0) g ( x 3 ) → g ( 0 ) 有界,乘 x → 0 x\to0 x → 0 。
④ 连续性。 lim x → 0 f ′ ( x ) = 0 − lim ∫ 0 x 3 g x 2 = 0 − 0 = 0 = f ′ ( 0 ) \lim\limits_{x\to0}f'(x)=0-\lim\dfrac{\int_0^{x^3}g}{x^2}=0-0=0=f'(0) x → 0 lim f ′ ( x ) = 0 − lim x 2 ∫ 0 x 3 g = 0 − 0 = 0 = f ′ ( 0 ) ,所以 f ′ f' f ′ 在 0 处连续。
第二项的极限就是第③步算过的。
答案:f ′ ( x ) = 3 x g ( x 3 ) − 1 x 2 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u f'(x)=3xg(x^3)-\frac1{x^2}\int_0^{x^3}g(u)\du f ′ ( x ) = 3 xg ( x 3 ) − x 2 1 ∫ 0 x 3 g ( u ) d u (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 ),f ′ ( 0 ) = 0 f'(0)=0 f ′ ( 0 ) = 0 ,f ′ f' f ′ 在 0 处连续
5.3 连续、可导、奇偶与周期
大白话:F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t F(x)=\int_0^xf(t)\dt F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t 比 f f f “光滑一级”:f f f 可积则 F F F 连续,f f f 连续则 F F F 可导;f f f 在某点跳跃,F F F 在那里有尖角 。奇偶性则“反过来”:f f f 奇 ⇒ \Rightarrow ⇒ F F F 偶,f f f 偶 ⇒ \Rightarrow ⇒ F F F 奇(注意下限必须是 0)。
x y O f F (x )=∫0 x f (t )dt 左斜率 0,右斜率 2 π 2π 2 2013 数二(3):f f f 在 π \pi π 处跳跃,F = ∫ 0 x f F=\int_0^xf F = ∫ 0 x f 在 π \pi π 处连续但有尖角。
变上限积分的性质(李林 p129)
f f f 可积 ⇒ \Rightarrow ⇒ F F F 连续;f f f 连续 ⇒ \Rightarrow ⇒ F F F 可导。
x 0 x_0 x 0 是 f f f 的可去间断点 ⇒ \Rightarrow ⇒ F F F 在 x 0 x_0 x 0 可导,F ′ ( x 0 ) = lim x → x 0 f ( x ) F'(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0}f(x) F ′ ( x 0 ) = x → x 0 lim f ( x ) ;跳跃间断点 ⇒ \Rightarrow ⇒ F F F 连续不可导,F ± ′ ( x 0 ) = f ( x 0 ± ) F'_\pm(x_0)=f(x_0^\pm) F ± ′ ( x 0 ) = f ( x 0 ± ) 。
f f f 奇 ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 偶;f f f 偶 ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 奇。(∫ a x f \int_a^xf ∫ a x f 与 ∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 只差常数 ∫ a 0 f \int_a^0f ∫ a 0 f ,偶函数加常数仍偶,奇函数加常数一般不再奇。)
f f f 以 T T T 为周期:∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 以 T T T 为周期 ⟺ ∫ 0 T f = 0 \iff\int_0^Tf=0 ⟺ ∫ 0 T f = 0 。
复合:h ( u ) = ∫ 0 u ⋯ h(u)=\int_0^u\cdots h ( u ) = ∫ 0 u ⋯ 的奇偶 + 内层 u ( x ) u(x) u ( x ) 的奇偶,按“奇∘奇 = 奇、偶∘任意 = 偶”判断。
方法卡 · 判断变限积分的奇偶、连续、可导
什么时候用
选择题问
∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 或
∫ 0 φ ( x ) f \int_0^{\varphi(x)}f ∫ 0 φ ( x ) f 的奇偶性、周期性、在某点的连续与可导。
步骤
奇偶:先判断被积函数的奇偶,再看积分限;上限是 sin x \sin x sin x 之类时当复合函数处理。
也可以直接用定义:把 x x x 换成 − x -x − x ,再令 t = − u t=-u t = − u 换元比较。
连续、可导:看被积函数在该点是连续、可去还是跳跃。
最容易错
下限不是 0 时照搬“奇变偶”;以为“
f f f 周期,
∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 也周期”,忘了要
∫ 0 T f = 0 \int_0^Tf=0 ∫ 0 T f = 0 。
例 5.12 2024 数一(1)
已知函数
f ( x ) = ∫ 0 x e cos t d t f(x)=\int_0^x\e^{\cos t}\dt f ( x ) = ∫ 0 x e c o s t d t ,
g ( x ) = ∫ 0 sin x e t 2 d t g(x)=\int_0^{\sin x}\e^{t^2}\dt g ( x ) = ∫ 0 s i n x e t 2 d t ,则( )
(A)
f ( x ) f(x) f ( x ) 为奇函数,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为偶函数 (B)
f ( x ) f(x) f ( x ) 为偶函数,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为奇函数
(C)
f ( x ) f(x) f ( x ) 与
g ( x ) g(x) g ( x ) 均为奇函数 (D)
f ( x ) f(x) f ( x ) 与
g ( x ) g(x) g ( x ) 均为周期函数
解答先遮住,自己试 5 分钟
① f f f :被积函数偶。 e cos t \e^{\cos t} e c o s t 是偶函数,下限 0,所以 f f f 是奇函数。
“偶积成奇”:被积函数偶、下限为 0,变上限积分是奇函数。下限必须是 0:若写成 ∫ 1 x e cos t d t \int_1^x\e^{\cos t}\dt ∫ 1 x e c o s t d t ,它等于 f ( x ) − f ( 1 ) f(x)-f(1) f ( x ) − f ( 1 ) ,奇函数减去一个不为 0 的常数就不再是奇函数(第 11 部分第 22 条)。
② g g g :复合。 h ( u ) = ∫ 0 u e t 2 d t h(u)=\int_0^u\e^{t^2}\dt h ( u ) = ∫ 0 u e t 2 d t 是奇函数(被积函数偶),g ( x ) = h ( sin x ) g(x)=h(\sin x) g ( x ) = h ( sin x ) ,奇∘奇 = 奇。
按奇函数的定义验证:把 x x x 换成 − x -x − x ,sin ( − x ) = − sin x \sin(-x)=-\sin x sin ( − x ) = − sin x ,再用 h h h 是奇函数,h ( − sin x ) = − h ( sin x ) h(-\sin x)=-h(\sin x) h ( − sin x ) = − h ( sin x ) 。
③ 排除(D)。 f ( x + 2 π ) − f ( x ) = ∫ x x + 2 π e cos t d t = ∫ 0 2 π e cos t d t > 0 f(x+2\pi)-f(x)=\int_x^{x+2\pi}\e^{\cos t}\dt=\int_0^{2\pi}\e^{\cos t}\dt>0 f ( x + 2 π ) − f ( x ) = ∫ x x + 2 π e c o s t d t = ∫ 0 2 π e c o s t d t > 0 ,f f f 不是周期函数。所以选(C)。
被积函数周期为 2 π 2\pi 2 π 但在一个周期上的积分不为 0;g g g 倒是周期函数。
答案:C
例 5.13 2013 数二(3)
设函数
f ( x ) = { sin x , 0 ≤ x < π 2 , π ≤ x ≤ 2 π f(x)=\begin{cases}\sin x,&0\le x<\pi\\2,&\pi\le x\le2\pi\end{cases} f ( x ) = { sin x , 2 , 0 ≤ x < π π ≤ x ≤ 2 π ,
F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t F(x)=\int_0^xf(t)\dt F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t ,则( )
(A)
x = π x=\pi x = π 是
F ( x ) F(x) F ( x ) 的跳跃间断点 (B)
x = π x=\pi x = π 是
F ( x ) F(x) F ( x ) 的可去间断点
(C)
F ( x ) F(x) F ( x ) 在
x = π x=\pi x = π 处连续但不可导 (D)
F ( x ) F(x) F ( x ) 在
x = π x=\pi x = π 处可导
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 看 f f f 在 π \pi π 处。 f ( π − ) = sin π = 0 f(\pi^-)=\sin\pi=0 f ( π − ) = sin π = 0 ,f ( π + ) = 2 f(\pi^+)=2 f ( π + ) = 2 ,跳跃间断点。
f f f 有界、只有一个间断点,可积,所以 F F F 连续(排除 A、B)。
② 左右导数。 F − ′ ( π ) = f ( π − ) = 0 F'_-(\pi)=f(\pi^-)=0 F − ′ ( π ) = f ( π − ) = 0 ,F + ′ ( π ) = f ( π + ) = 2 F'_+(\pi)=f(\pi^+)=2 F + ′ ( π ) = f ( π + ) = 2 ,不相等,不可导。所以选(C)。
跳跃点处变上限积分的左右导数就是 f f f 的左右极限。
答案:C
例 5.14 2020 数三(3)
设奇函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上具有连续导数,则( )
(A)
∫ 0 x [ cos f ( t ) + f ′ ( t ) ] d t \int_0^x[\cos f(t)+f'(t)]\dt ∫ 0 x [ cos f ( t ) + f ′ ( t )] d t 是奇函数 (B)
∫ 0 x [ cos f ( t ) + f ′ ( t ) ] d t \int_0^x[\cos f(t)+f'(t)]\dt ∫ 0 x [ cos f ( t ) + f ′ ( t )] d t 是偶函数
(C)
∫ 0 x [ cos f ′ ( t ) + f ( t ) ] d t \int_0^x[\cos f'(t)+f(t)]\dt ∫ 0 x [ cos f ′ ( t ) + f ( t )] d t 是奇函数 (D)
∫ 0 x [ cos f ′ ( t ) + f ( t ) ] d t \int_0^x[\cos f'(t)+f(t)]\dt ∫ 0 x [ cos f ′ ( t ) + f ( t )] d t 是偶函数
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 判断各部分的奇偶。 f f f 奇 ⇒ \Rightarrow ⇒ f ′ f' f ′ 偶;cos f ( t ) \cos f(t) cos f ( t ) 偶(cos \cos cos 是偶函数);cos f ′ ( t ) \cos f'(t) cos f ′ ( t ) 偶。
奇函数的导数是偶函数;cos \cos cos 是偶函数,所以 cos ( f ( − t ) ) = cos ( − f ( t ) ) = cos f ( t ) \cos(f(-t))=\cos(-f(t))=\cos f(t) cos ( f ( − t )) = cos ( − f ( t )) = cos f ( t ) 。
② (A)(B) 的被积函数。 cos f ( t ) + f ′ ( t ) \cos f(t)+f'(t) cos f ( t ) + f ′ ( t ) 是偶 + 偶 = 偶,积分从 0 开始,得到奇函数。(A)正确。
“偶积成奇”:偶函数从 0 积到 x x x ,得到奇函数。
③ (C)(D) 的被积函数。 cos f ′ ( t ) + f ( t ) \cos f'(t)+f(t) cos f ′ ( t ) + f ( t ) 是偶 + 奇,一般不奇不偶,积分也不奇不偶。反例:f ( t ) = t f(t)=t f ( t ) = t :被积函数 cos 1 + t \cos1+t cos 1 + t ,积分 x cos 1 + x 2 2 x\cos1+\frac{x^2}2 x cos 1 + 2 x 2 ,既不奇也不偶。所以选(A)。
给一个具体的奇函数就能排除。
答案:A
例 5.15 2024 数二(3)
已知函数
f ( x ) = ∫ 0 sin x sin t 3 d t f(x)=\int_0^{\sin x}\sin t^3\dt f ( x ) = ∫ 0 s i n x sin t 3 d t ,
g ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t g(x)=\int_0^xf(t)\dt g ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t ,则( )
(A)
f ( x ) f(x) f ( x ) 为奇函数,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为奇函数 (B)
f ( x ) f(x) f ( x ) 为奇函数,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为偶函数
(C)
f ( x ) f(x) f ( x ) 为偶函数,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为偶函数 (D)
f ( x ) f(x) f ( x ) 为偶函数,
g ( x ) g(x) g ( x ) 为奇函数
解答先遮住,自己试 5 分钟
① f f f :复合。 sin t 3 \sin t^3 sin t 3 是奇函数,h ( u ) = ∫ 0 u sin t 3 d t h(u)=\int_0^u\sin t^3\dt h ( u ) = ∫ 0 u sin t 3 d t 是偶函数;f ( x ) = h ( sin x ) f(x)=h(\sin x) f ( x ) = h ( sin x ) ,偶∘任意 = 偶。
“奇积成偶”;外层偶,整体就偶。
② g g g 。 f f f 偶,下限 0,g = ∫ 0 x f g=\int_0^xf g = ∫ 0 x f 是奇函数,所以选(D)。
“偶积成奇”:f f f 是偶函数,∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 是奇函数。
答案:D
例 5.16 李林 第六章 §1 例 13 · p137,§3 例 9 · p149
(1)设
f f f 是连续的奇函数,
F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) cos t d t + ∫ 0 x d t 1 + t 2 F(x)=\int_0^xf(t)\cos t\dt+\int_0^x\dfrac{\dt}{1+t^2} F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) cos t d t + ∫ 0 x 1 + t 2 d t ,
F ( 1 ) = π F(1)=\pi F ( 1 ) = π ,求
F ( − 1 ) F(-1) F ( − 1 ) 。(2)设
f f f 连续、以 2 为周期,证明
G ( x ) = ∫ 0 x 2 f ( t ) d t − x ∫ 0 2 f ( t ) d t G(x)=\int_0^x2f(t)\dt-x\int_0^2f(t)\dt G ( x ) = ∫ 0 x 2 f ( t ) d t − x ∫ 0 2 f ( t ) d t 以 2 为周期。
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① (1) 拆成奇、偶两部分。 f ( t ) cos t f(t)\cos t f ( t ) cos t 是奇函数,A ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) cos t d t A(x)=\int_0^xf(t)\cos t\dt A ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) cos t d t 是偶函数;arctan x \arctan x arctan x 是奇函数。
奇 × 偶 = 奇,“奇积成偶”。
② (1) 代值。 F ( 1 ) = A ( 1 ) + π 4 = π F(1)=A(1)+\dfrac\pi4=\pi F ( 1 ) = A ( 1 ) + 4 π = π ,A ( 1 ) = 3 π 4 A(1)=\dfrac{3\pi}4 A ( 1 ) = 4 3 π ;F ( − 1 ) = A ( 1 ) − π 4 = π 2 F(-1)=A(1)-\dfrac\pi4=\dfrac\pi2 F ( − 1 ) = A ( 1 ) − 4 π = 2 π 。
偶函数 A ( − 1 ) = A ( 1 ) A(-1)=A(1) A ( − 1 ) = A ( 1 ) ,奇函数 arctan ( − 1 ) = − π 4 \arctan(-1)=-\frac\pi4 arctan ( − 1 ) = − 4 π 。
③ (2) 求导看差。 [ G ( x + 2 ) − G ( x ) ] ′ = 2 f ( x + 2 ) − ∫ 0 2 f − 2 f ( x ) + ∫ 0 2 f = 0 \big[G(x+2)-G(x)\big]'=2f(x+2)-\int_0^2f-2f(x)+\int_0^2f=0 [ G ( x + 2 ) − G ( x ) ] ′ = 2 f ( x + 2 ) − ∫ 0 2 f − 2 f ( x ) + ∫ 0 2 f = 0 ,所以 G ( x + 2 ) − G ( x ) G(x+2)-G(x) G ( x + 2 ) − G ( x ) 是常数,等于 G ( 2 ) − G ( 0 ) = 2 ∫ 0 2 f − 2 ∫ 0 2 f − 0 = 0 G(2)-G(0)=2\int_0^2f-2\int_0^2f-0=0 G ( 2 ) − G ( 0 ) = 2 ∫ 0 2 f − 2 ∫ 0 2 f − 0 = 0 。
证明“差是常数”用导数为 0,再代一个特殊点定出常数。
答案:(1) π 2 \frac\pi2 2 π ;(2) 证明题。思路:对 G ( x + 2 ) − G ( x ) G(x+2)-G(x) G ( x + 2 ) − G ( x ) 求导得 0,所以它是常数;代 x = 0 x=0 x = 0 得这个常数为 0。
5.4 极限与无穷小的阶
大白话:含变限积分的极限,几乎都是“洛必达一次,把积分号去掉”;比较无穷小的阶,就把 ∫ 0 φ ( x ) f ( t ) d t \int_0^{\varphi(x)}f(t)\dt ∫ 0 φ ( x ) f ( t ) d t 估计成 c x k c\,x^k c x k :被积函数 f ( t ) ∼ a t m f(t)\sim at^m f ( t ) ∼ a t m 、上限 φ ( x ) ∼ b x n \varphi(x)\sim bx^n φ ( x ) ∼ b x n ,积分就 ∼ a m + 1 ( b x n ) m + 1 \sim\frac a{m+1}(bx^n)^{m+1} ∼ m + 1 a ( b x n ) m + 1 ,阶数是 n ( m + 1 ) n(m+1) n ( m + 1 ) 。
(A)(C) (B) (D) 0.1 1 lg x lg y 双对数坐标:直线的斜率 = 无穷小的阶 (A)(C) 斜率 3,(B) 斜率 2.5,(D) 斜率 5 2020 数一(1) 的四个变限积分画在双对数坐标里:斜率就是阶数,(D) 最陡。
阶的估计公式
若 t → 0 t\to0 t → 0 时 f ( t ) ∼ a t m f(t)\sim at^m f ( t ) ∼ a t m ,x → 0 x\to0 x → 0 时 φ ( x ) ∼ b x n \varphi(x)\sim bx^n φ ( x ) ∼ b x n (a , b ≠ 0 a,b\ne0 a , b = 0 ,m > − 1 m>-1 m > − 1 ,n > 0 n>0 n > 0 ),则
∫ 0 φ ( x ) f ( t ) d t ∼ a m + 1 ( b x n ) m + 1 , \displaystyle \int_0^{\varphi(x)}f(t)\dt\sim\frac a{m+1}\big(bx^n\big)^{m+1}, ∫ 0 φ ( x ) f ( t ) d t ∼ m + 1 a ( b x n ) m + 1 , 是 x 的 n ( m + 1 ) 阶无穷小 . \displaystyle \text{是 }x\text{ 的 }n(m+1)\text{ 阶无穷小}. 是 x 的 n ( m + 1 ) 阶无穷小 .
口诀:“被积函数的阶加 1,再乘上限的阶”。
方法卡 · 含变限积分的极限
什么时候用
0 0 \frac00 0 0 型极限,分子或分母是变限积分;或者问几个变限积分谁的阶高。
步骤
先用等价无穷小把分母化简(如 1 − cos x 2 ∼ x 4 2 1-\cos x^2\sim\frac{x^4}2 1 − cos x 2 ∼ 2 x 4 )。
洛必达一次,积分号消失;被积函数含 x x x 的先按 5.2 节处理。
比较阶:用上面的公式直接写出 c x k c\,x^k c x k 。
x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 的题:先判断分子是否趋于无穷,再洛必达。
最容易错
被积函数的等价代换要在
t → 0 t\to0 t → 0 时做,而且上限要趋于 0;洛必达后忘了乘上限的导数。
例 5.17 2016 数一(9)
lim x → 0 ∫ 0 x t ln ( 1 + t sin t ) d t 1 − cos x 2 = \lim\limits_{x\to0}\dfrac{\int_0^xt\ln(1+t\sin t)\dt}{1-\cos x^2}= x → 0 lim 1 − cos x 2 ∫ 0 x t ln ( 1 + t sin t ) d t = ______。
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① 分母换等价。 1 − cos x 2 ∼ ( x 2 ) 2 2 = x 4 2 1-\cos x^2\sim\dfrac{(x^2)^2}2=\dfrac{x^4}2 1 − cos x 2 ∼ 2 ( x 2 ) 2 = 2 x 4 。
等价无穷小 1 − cos u ∼ u 2 2 1-\cos u\sim\frac{u^2}2 1 − cos u ∼ 2 u 2 对任何趋于 0 的 u u u 都成立,这里 u = x 2 u=x^2 u = x 2 。
② 洛必达。 原式 = lim ∫ 0 x t ln ( 1 + t sin t ) d t x 4 / 2 = lim x ln ( 1 + x sin x ) 2 x 3 =\lim\dfrac{\int_0^xt\ln(1+t\sin t)\dt}{x^4/2}=\lim\dfrac{x\ln(1+x\sin x)}{2x^3} = lim x 4 /2 ∫ 0 x t ln ( 1 + t sin t ) d t = lim 2 x 3 x ln ( 1 + x sin x ) 。
分子求导:把 x x x 代进被积函数。
③ 等价无穷小。 ln ( 1 + x sin x ) ∼ x sin x ∼ x 2 \ln(1+x\sin x)\sim x\sin x\sim x^2 ln ( 1 + x sin x ) ∼ x sin x ∼ x 2 ,所以 = lim x ⋅ x 2 2 x 3 = 1 2 =\lim\dfrac{x\cdot x^2}{2x^3}=\dfrac12 = lim 2 x 3 x ⋅ x 2 = 2 1 。
用阶的公式也可以:被积函数 ∼ t 3 \sim t^3 ∼ t 3 ,积分 ∼ x 4 4 \sim\frac{x^4}4 ∼ 4 x 4 ,比 x 4 2 \frac{x^4}2 2 x 4 得 1 2 \frac12 2 1 。
答案:1 2 \frac12 2 1
例 5.18 2014 数一(15)
求极限
lim x → + ∞ ∫ 1 x [ t 2 ( e 1 / t − 1 ) − t ] d t x 2 ln ( 1 + 1 x ) \lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\int_1^x\big[t^2(\e^{1/t}-1)-t\big]\dt}{x^2\ln\big(1+\frac1x\big)} x → + ∞ lim x 2 ln ( 1 + x 1 ) ∫ 1 x [ t 2 ( e 1/ t − 1 ) − t ] d t 。
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① 化简分母。 x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 ln ( 1 + 1 x ) ∼ 1 x \ln\big(1+\frac1x\big)\sim\frac1x ln ( 1 + x 1 ) ∼ x 1 ,分母 ∼ x \sim x ∼ x 。
x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 1 x → 0 \frac1x\to0 x 1 → 0 ,所以可以用等价无穷小 ln ( 1 + u ) ∼ u \ln(1+u)\sim u ln ( 1 + u ) ∼ u (u = 1 x u=\frac1x u = x 1 )。
② 洛必达。 原式 = lim ∫ 1 x [ ⋯ ] d t x = lim [ x 2 ( e 1 / x − 1 ) − x ] =\lim\dfrac{\int_1^x[\cdots]\dt}{x}=\lim\big[x^2(\e^{1/x}-1)-x\big] = lim x ∫ 1 x [ ⋯ ] d t = lim [ x 2 ( e 1/ x − 1 ) − x ] 。
分子趋于 + ∞ +\infty + ∞ (被积函数趋于 1 2 > 0 \frac12>0 2 1 > 0 ),可以用 ∞ ∞ \frac\infty\infty ∞ ∞ 型洛必达。
③ 令 u = 1 x u=\frac1x u = x 1 用泰勒。 x 2 ( e 1 / x − 1 ) − x = e u − 1 − u u 2 → 1 2 x^2(\e^{1/x}-1)-x=\dfrac{\e^u-1-u}{u^2}\to\dfrac12 x 2 ( e 1/ x − 1 ) − x = u 2 e u − 1 − u → 2 1 。
令 u = 1 x → 0 u=\frac1x\to0 u = x 1 → 0 ,把 e u \e^u e u 展开到二阶:e u − 1 − u ≈ u 2 2 \e^u-1-u\approx\frac{u^2}2 e u − 1 − u ≈ 2 u 2 ,除以 u 2 u^2 u 2 得 1 2 \frac12 2 1 。
答案:1 2 \frac12 2 1
例 5.19 2021 数一(17)
求极限
lim x → 0 ( 1 + ∫ 0 x e t 2 d t e x − 1 − 1 sin x ) \lim\limits_{x\to0}\Big(\dfrac{1+\int_0^x\e^{t^2}\dt}{\e^x-1}-\dfrac1{\sin x}\Big) x → 0 lim ( e x − 1 1 + ∫ 0 x e t 2 d t − sin x 1 ) 。
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① 通分。 原式 = lim ( 1 + ∫ 0 x e t 2 d t ) sin x − ( e x − 1 ) ( e x − 1 ) sin x =\lim\dfrac{\big(1+\int_0^x\e^{t^2}\dt\big)\sin x-(\e^x-1)}{(\e^x-1)\sin x} = lim ( e x − 1 ) sin x ( 1 + ∫ 0 x e t 2 d t ) sin x − ( e x − 1 ) ,分母 ∼ x 2 \sim x^2 ∼ x 2 。
两个分式都趋于无穷,相减是“∞ − ∞ \infty-\infty ∞ − ∞ ”,要先通分化成一个分式,才能用等价无穷小或泰勒公式。
② 分子泰勒展开到 x 2 x^2 x 2 。 ∫ 0 x e t 2 d t = x + x 3 3 + ⋯ \int_0^x\e^{t^2}\dt=x+\dfrac{x^3}3+\cdots ∫ 0 x e t 2 d t = x + 3 x 3 + ⋯ ,sin x = x − x 3 6 + ⋯ \sin x=x-\dfrac{x^3}6+\cdots sin x = x − 6 x 3 + ⋯ ,e x − 1 = x + x 2 2 + ⋯ \e^x-1=x+\dfrac{x^2}2+\cdots e x − 1 = x + 2 x 2 + ⋯ 。分子 = ( 1 + x + ⋯ ) ( x − ⋯ ) − x − x 2 2 + o ( x 2 ) = x + x 2 − x − x 2 2 + o ( x 2 ) = x 2 2 + o ( x 2 ) =(1+x+\cdots)(x-\cdots)-x-\dfrac{x^2}2+o(x^2)=x+x^2-x-\dfrac{x^2}2+o(x^2)=\dfrac{x^2}2+o(x^2) = ( 1 + x + ⋯ ) ( x − ⋯ ) − x − 2 x 2 + o ( x 2 ) = x + x 2 − x − 2 x 2 + o ( x 2 ) = 2 x 2 + o ( x 2 ) 。
变限积分的泰勒展开:把被积函数展开后逐项积分,e t 2 = 1 + t 2 + ⋯ \e^{t^2}=1+t^2+\cdots e t 2 = 1 + t 2 + ⋯ 。
③ 结果。 原式 = x 2 / 2 x 2 → 1 2 =\dfrac{x^2/2}{x^2}\to\dfrac12 = x 2 x 2 /2 → 2 1 。
分子、分母都是 x 2 x^2 x 2 那一阶的无穷小,比值的极限就是两个 x 2 x^2 x 2 的系数之比 1 / 2 1 \frac{1/2}{1} 1 1/2 。
答案:1 2 \frac12 2 1
例 5.20 2020 数一(1)
当
x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时,下列无穷小量中最高阶的是( )
(A)
∫ 0 x ( e t 2 − 1 ) d t \int_0^x(\e^{t^2}-1)\dt ∫ 0 x ( e t 2 − 1 ) d t (B)
∫ 0 x ln ( 1 + t 3 ) d t \int_0^x\ln\big(1+\sqrt{t^3}\big)\dt ∫ 0 x ln ( 1 + t 3 ) d t (C)
∫ 0 sin x sin t 2 d t \int_0^{\sin x}\sin t^2\dt ∫ 0 s i n x sin t 2 d t (D)
∫ 0 1 − cos x sin 3 t d t \int_0^{1-\cos x}\sqrt{\sin^3t}\dt ∫ 0 1 − c o s x sin 3 t d t
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 用阶的公式逐个算。 (A)e t 2 − 1 ∼ t 2 \e^{t^2}-1\sim t^2 e t 2 − 1 ∼ t 2 ,上限 x x x :阶 1 × 3 = 3 1\times3=3 1 × 3 = 3 。(B)ln ( 1 + t 3 / 2 ) ∼ t 3 / 2 \ln(1+t^{3/2})\sim t^{3/2} ln ( 1 + t 3/2 ) ∼ t 3/2 :阶 5 2 \frac52 2 5 。(C)sin t 2 ∼ t 2 \sin t^2\sim t^2 sin t 2 ∼ t 2 ,上限 sin x ∼ x \sin x\sim x sin x ∼ x :阶 3。(D)sin 3 t ∼ t 3 / 2 \sqrt{\sin^3t}\sim t^{3/2} sin 3 t ∼ t 3/2 ,上限 1 − cos x ∼ x 2 2 1-\cos x\sim\frac{x^2}2 1 − cos x ∼ 2 x 2 :阶 2 × 5 2 = 5 2\times\frac52=5 2 × 2 5 = 5 。
被积函数的阶加 1,再乘上限的阶。
② 比较。 (D)是 5 阶,最高。所以选(D)。
阶数越高,x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时趋于 0 越快,四个里(D)的 5 阶最高。在双对数坐标图上,阶数就是直线的斜率,所以(D)的直线最陡。
答案:D
例 5.21 2021 数二(1)
当
x → 0 x\to0 x → 0 时,
∫ 0 x 2 ( e t 3 − 1 ) d t \int_0^{x^2}(\e^{t^3}-1)\dt ∫ 0 x 2 ( e t 3 − 1 ) d t 是
x 7 x^7 x 7 的( )
(A)低阶无穷小 (B)等价无穷小 (C)高阶无穷小 (D)同阶但非等价无穷小
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 算阶。 e t 3 − 1 ∼ t 3 \e^{t^3}-1\sim t^3 e t 3 − 1 ∼ t 3 (阶 3),上限 x 2 x^2 x 2 (阶 2):积分的阶 2 × 4 = 8 2\times4=8 2 × 4 = 8 ,∫ 0 x 2 ( e t 3 − 1 ) d t ∼ x 8 4 \int_0^{x^2}(\e^{t^3}-1)\dt\sim\dfrac{x^8}4 ∫ 0 x 2 ( e t 3 − 1 ) d t ∼ 4 x 8 。
被积函数 e t 3 − 1 ∼ t 3 \e^{t^3}-1\sim t^3 e t 3 − 1 ∼ t 3 ,积出来是 ( x 2 ) 4 4 = x 8 4 \frac{(x^2)^4}4=\frac{x^8}4 4 ( x 2 ) 4 = 4 x 8 (上限 x 2 x^2 x 2 的 4 次方)。
② 比较。 8 阶比 7 阶高,是 x 7 x^7 x 7 的高阶无穷小。所以选(C)。
比阶就是看比值的极限:x 8 / 4 x 7 = x 4 → 0 \frac{x^8/4}{x^7}=\frac x4\to0 x 7 x 8 /4 = 4 x → 0 ,比值趋于 0 说明分子是高阶无穷小。
答案:C
例 5.22 2024 数三(11)
当
x → 0 x\to0 x → 0 时,
∫ 0 x ( 1 + t 2 ) sin t 2 1 + cos 2 t d t \int_0^x\dfrac{(1+t^2)\sin t^2}{1+\cos^2t}\dt ∫ 0 x 1 + cos 2 t ( 1 + t 2 ) sin t 2 d t 与
x k x^k x k 是同阶无穷小,则
k = k= k = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 被积函数的阶。 t → 0 t\to0 t → 0 时 ( 1 + t 2 ) sin t 2 1 + cos 2 t ∼ t 2 2 \dfrac{(1+t^2)\sin t^2}{1+\cos^2t}\sim\dfrac{t^2}2 1 + cos 2 t ( 1 + t 2 ) sin t 2 ∼ 2 t 2 。
t → 0 t\to0 t → 0 时各因子分别趋于常数或等价于简单的幂:1 + t 2 → 1 1+t^2\to1 1 + t 2 → 1 ,1 + cos 2 t → 2 1+\cos^2t\to2 1 + cos 2 t → 2 ,sin t 2 ∼ t 2 \sin t^2\sim t^2 sin t 2 ∼ t 2 ,所以整体 ∼ t 2 2 \sim\frac{t^2}2 ∼ 2 t 2 。
② 积分的阶。 ∫ 0 x t 2 2 d t = x 3 6 \int_0^x\dfrac{t^2}2\dt=\dfrac{x^3}6 ∫ 0 x 2 t 2 d t = 6 x 3 ,所以 k = 3 k=3 k = 3 。
用阶的公式:被积函数是 2 阶,积分后变成 3 阶;上限就是 x x x (1 阶),所以 k = 1 × ( 2 + 1 ) = 3 k=1\times(2+1)=3 k = 1 × ( 2 + 1 ) = 3 。
答案:3
例 5.23 李林 第六章 §2 例 1 · p141
设
α ( x ) = ∫ 0 5 x sin t t d t \alpha(x)=\int_0^{5x}\dfrac{\sin t}t\dt α ( x ) = ∫ 0 5 x t sin t d t ,
β ( x ) = ∫ 0 sin x ( 1 + t ) 1 t d t \beta(x)=\int_0^{\sin x}(1+t)^{\frac1t}\dt β ( x ) = ∫ 0 s i n x ( 1 + t ) t 1 d t ,求
lim x → 0 α ( x ) β ( x ) \lim\limits_{x\to0}\dfrac{\alpha(x)}{\beta(x)} x → 0 lim β ( x ) α ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 洛必达。 lim α β = lim sin 5 x 5 x ⋅ 5 ( 1 + sin x ) 1 sin x ⋅ cos x \lim\dfrac{\alpha}{\beta}=\lim\dfrac{\frac{\sin5x}{5x}\cdot5}{(1+\sin x)^{\frac1{\sin x}}\cdot\cos x} lim β α = lim ( 1 + sin x ) s i n x 1 ⋅ cos x 5 x s i n 5 x ⋅ 5 。
上限 5 x 5x 5 x 乘 5,上限 sin x \sin x sin x 乘 cos x \cos x cos x 。
② 代极限。 sin 5 x 5 x → 1 \frac{\sin5x}{5x}\to1 5 x s i n 5 x → 1 ,( 1 + sin x ) 1 sin x → e (1+\sin x)^{\frac1{\sin x}}\to\e ( 1 + sin x ) s i n x 1 → e ,cos x → 1 \cos x\to1 cos x → 1 ,所以极限 = 5 e =\dfrac5\e = e 5 。
第二个重要极限。α ∼ 5 x \alpha\sim5x α ∼ 5 x 、β ∼ e x \beta\sim\e x β ∼ e x ,同阶但不等价。
答案:5 e \frac5{\e} e 5
例 5.24 2025 数一(3)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在区间
[ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 上可导,则( )
(A)当
lim x → + ∞ f ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}f(x) x → + ∞ lim f ( x ) 存在时,
lim x → + ∞ f ′ ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}f'(x) x → + ∞ lim f ′ ( x ) 存在
(B)当
lim x → + ∞ f ′ ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}f'(x) x → + ∞ lim f ′ ( x ) 存在时,
lim x → + ∞ f ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}f(x) x → + ∞ lim f ( x ) 存在
(C)当
lim x → + ∞ ∫ 0 x f ( t ) d t x \lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\int_0^xf(t)\dt}x x → + ∞ lim x ∫ 0 x f ( t ) d t 存在时,
lim x → + ∞ f ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}f(x) x → + ∞ lim f ( x ) 存在
(D)当
lim x → + ∞ f ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}f(x) x → + ∞ lim f ( x ) 存在时,
lim x → + ∞ ∫ 0 x f ( t ) d t x \lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\int_0^xf(t)\dt}x x → + ∞ lim x ∫ 0 x f ( t ) d t 存在
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (D) 正确。 设 f ( x ) → A f(x)\to A f ( x ) → A 。若 A ≠ 0 A\ne0 A = 0 ,∫ 0 x f → ± ∞ \int_0^xf\to\pm\infty ∫ 0 x f → ± ∞ ,洛必达:lim ∫ 0 x f x = lim f ( x ) = A \lim\dfrac{\int_0^xf}x=\lim f(x)=A lim x ∫ 0 x f = lim f ( x ) = A ;若 A = 0 A=0 A = 0 ,对任意 ε > 0 \eps>0 ε > 0 ,x x x 大时 ∣ f ∣ < ε |f|<\eps ∣ f ∣ < ε ,平均值最终也小于 2 ε 2\eps 2 ε 。所以极限存在且为 A A A 。
“函数有极限,它的平均值也有同样的极限”。
② 反例排除 (A)。 f ( x ) = sin x 2 x + 1 → 0 f(x)=\dfrac{\sin x^2}{x+1}\to0 f ( x ) = x + 1 sin x 2 → 0 ,但 f ′ ( x ) = 2 x cos x 2 x + 1 − sin x 2 ( x + 1 ) 2 f'(x)=\dfrac{2x\cos x^2}{x+1}-\dfrac{\sin x^2}{(x+1)^2} f ′ ( x ) = x + 1 2 x cos x 2 − ( x + 1 ) 2 sin x 2 振荡,没有极限。
函数趋于常数,可以越来越“抖”。
③ 反例排除 (B)(C)。 (B)f ( x ) = x f(x)=x f ( x ) = x :f ′ → 1 f'\to1 f ′ → 1 ,f → + ∞ f\to+\infty f → + ∞ 。(C)f ( x ) = sin x f(x)=\sin x f ( x ) = sin x :1 x ∫ 0 x sin t d t = 1 − cos x x → 0 \frac1x\int_0^x\sin t\dt=\frac{1-\cos x}x\to0 x 1 ∫ 0 x sin t d t = x 1 − c o s x → 0 ,但 sin x \sin x sin x 无极限。所以选(D)。
平均值有极限,函数本身可以一直振荡。
答案:D
例 5.25 2011 数二(15)
已知函数
F ( x ) = ∫ 0 x ln ( 1 + t 2 ) d t x α F(x)=\dfrac{\int_0^x\ln(1+t^2)\dt}{x^\alpha} F ( x ) = x α ∫ 0 x ln ( 1 + t 2 ) d t 。设
lim x → + ∞ F ( x ) = lim x → 0 + F ( x ) = 0 \lim\limits_{x\to+\infty}F(x)=\lim\limits_{x\to0^+}F(x)=0 x → + ∞ lim F ( x ) = x → 0 + lim F ( x ) = 0 ,试求
α \alpha α 的取值范围。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 。 分子趋于 + ∞ +\infty + ∞ ;若 α ≤ 0 \alpha\le0 α ≤ 0 ,F → + ∞ F\to+\infty F → + ∞ 。α > 0 \alpha>0 α > 0 时洛必达:lim ln ( 1 + x 2 ) α x α − 1 \lim\dfrac{\ln(1+x^2)}{\alpha x^{\alpha-1}} lim α x α − 1 ln ( 1 + x 2 ) ,它为 0 当且仅当 α − 1 > 0 \alpha-1>0 α − 1 > 0 。
对数比任何正次幂都长得慢;α − 1 ≤ 0 \alpha-1\le0 α − 1 ≤ 0 时分母不增长,极限为 + ∞ +\infty + ∞ 。
② x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 。 分子 ∼ x 3 3 \sim\dfrac{x^3}3 ∼ 3 x 3 ,F ∼ 1 3 x 3 − α → 0 F\sim\dfrac13x^{3-\alpha}\to0 F ∼ 3 1 x 3 − α → 0 当且仅当 α < 3 \alpha<3 α < 3 。
用阶的公式:被积函数 ∼ t 2 \sim t^2 ∼ t 2 ,积分 ∼ x 3 3 \sim\frac{x^3}3 ∼ 3 x 3 。
③ 取交集。 1 < α < 3 1<\alpha<3 1 < α < 3 。
题目要求两个极限都为 0:第①步要求 α > 1 \alpha>1 α > 1 ,第②步要求 α < 3 \alpha<3 α < 3 ,必须同时成立,所以取两个范围的公共部分。
答案:1 < α < 3 1<\alpha<3 1 < α < 3
5.5 单调、极值、拐点与零点个数
大白话:变限积分定义的函数,研究单调、极值、凹凸、零点,和普通函数一样:求导、看导数的符号 。难点只在于求导(5.1、5.2 节)以及判断“积分的符号”——被积函数正、上限大于下限,积分就正。
x y O 极大 (1−e−1 )/2 极小 0 极小 0 y =f (x )−1 1 2010 数一(16):f ( x ) = ∫ 1 x 2 ( x 2 − t ) e − t 2 d t f(x)=\int_1^{x^2}(x^2-t)\e^{-t^2}\dt f ( x ) = ∫ 1 x 2 ( x 2 − t ) e − t 2 d t ,在 x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 取极小值 0,在 x = 0 x=0 x = 0 取极大值。
判断积分符号的依据
被积函数 > 0 >0 > 0 ,上限 > > > 下限 ⇒ \Rightarrow ⇒ 积分 > 0 >0 > 0 ;上限 < < < 下限 ⇒ \Rightarrow ⇒ 积分 < 0 <0 < 0 。
极值:f ′ ( x 0 ) = 0 f'(x_0)=0 f ′ ( x 0 ) = 0 且 f ′ f' f ′ 在 x 0 x_0 x 0 两侧变号;拐点:f ′ ′ f'' f ′′ 在 x 0 x_0 x 0 两侧变号。
也可以看 x 0 x_0 x 0 附近的泰勒主项:f ( x ) − f ( x 0 ) ∼ c ( x − x 0 ) k f(x)-f(x_0)\sim c(x-x_0)^k f ( x ) − f ( x 0 ) ∼ c ( x − x 0 ) k ,k k k 偶为极值点,k k k 奇(≥ 3 \ge3 ≥ 3 )为拐点。
方法卡 · 变限积分函数的单调与极值
什么时候用
题目要单调区间、极值、拐点、零点个数,函数由变限积分给出。
步骤
求 f ′ f' f ′ (被积函数含 x x x 先提出去)。
把 f ′ f' f ′ 写成“几个因子的乘积”,逐个判断符号,列表。
极值点代回 f f f 求极值,积分上下限相同时值为 0。
零点个数:单调区间 + 端点(或无穷远)处的函数值符号 + 零点定理。
最容易错
只解
f ′ = 0 f'=0 f ′ = 0 不看两侧变号;忘了
∫ 1 x 2 \int_1^{x^2} ∫ 1 x 2 在
∣ x ∣ < 1 |x|<1 ∣ x ∣ < 1 时上限小于下限,积分是负的。
例 5.26 2010 数一(16) 李林 第六章 §2 例 2 · p141
求函数
f ( x ) = ∫ 1 x 2 ( x 2 − t ) e − t 2 d t f(x)=\int_1^{x^2}(x^2-t)\e^{-t^2}\dt f ( x ) = ∫ 1 x 2 ( x 2 − t ) e − t 2 d t 的单调区间与极值。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 把 x 2 x^2 x 2 提出去。 f ( x ) = x 2 ∫ 1 x 2 e − t 2 d t − ∫ 1 x 2 t e − t 2 d t f(x)=x^2\int_1^{x^2}\e^{-t^2}\dt-\int_1^{x^2}t\e^{-t^2}\dt f ( x ) = x 2 ∫ 1 x 2 e − t 2 d t − ∫ 1 x 2 t e − t 2 d t 。
被积函数含 x x x ,按 5.2 节第②类。
② 求导。 f ′ ( x ) = 2 x ∫ 1 x 2 e − t 2 d t + x 2 e − x 4 ⋅ 2 x − x 2 e − x 4 ⋅ 2 x = 2 x ∫ 1 x 2 e − t 2 d t f'(x)=2x\int_1^{x^2}\e^{-t^2}\dt+x^2\e^{-x^4}\cdot2x-x^2\e^{-x^4}\cdot2x=2x\int_1^{x^2}\e^{-t^2}\dt f ′ ( x ) = 2 x ∫ 1 x 2 e − t 2 d t + x 2 e − x 4 ⋅ 2 x − x 2 e − x 4 ⋅ 2 x = 2 x ∫ 1 x 2 e − t 2 d t 。
第一项用乘积法则:( x 2 ) ′ ⋅ ∫ 1 x 2 e − t 2 d t + x 2 ⋅ ( ∫ 1 x 2 e − t 2 d t ) ′ (x^2)'\cdot\int_1^{x^2}\e^{-t^2}\dt+x^2\cdot\big(\int_1^{x^2}\e^{-t^2}\dt\big)' ( x 2 ) ′ ⋅ ∫ 1 x 2 e − t 2 d t + x 2 ⋅ ( ∫ 1 x 2 e − t 2 d t ) ′ ,后者按求导公式是 e − x 4 ⋅ 2 x \e^{-x^4}\cdot2x e − x 4 ⋅ 2 x ;第二项的导数是 x 2 e − x 4 ⋅ 2 x x^2\e^{-x^4}\cdot2x x 2 e − x 4 ⋅ 2 x (把上限 x 2 x^2 x 2 代进 t e − t 2 t\e^{-t^2} t e − t 2 ,再乘 2 x 2x 2 x )。这两个 2 x 3 e − x 4 2x^3\e^{-x^4} 2 x 3 e − x 4 正好抵消,这类题常常这样。
③ 判断符号。 ∫ 1 x 2 e − t 2 d t \int_1^{x^2}\e^{-t^2}\dt ∫ 1 x 2 e − t 2 d t :∣ x ∣ > 1 |x|>1 ∣ x ∣ > 1 时为正,∣ x ∣ < 1 |x|<1 ∣ x ∣ < 1 时为负。于是 f ′ f' f ′ 在 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,-1) ( − ∞ , − 1 ) 负、( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 正、( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 负、( 1 , + ∞ ) (1,+\infty) ( 1 , + ∞ ) 正。
被积函数恒正,积分的符号只看上限 x 2 x^2 x 2 比下限 1 大还是小;再乘上 2 x 2x 2 x 的符号。
④ 单调区间与极值。 单调减少区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,-1) ( − ∞ , − 1 ) 、( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) ;单调增加区间 ( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 、( 1 , + ∞ ) (1,+\infty) ( 1 , + ∞ ) 。极小值 f ( ± 1 ) = 0 f(\pm1)=0 f ( ± 1 ) = 0 ;极大值 f ( 0 ) = ∫ 1 0 ( − t ) e − t 2 d t = ∫ 0 1 t e − t 2 d t = 1 2 ( 1 − e − 1 ) f(0)=\int_1^0(-t)\e^{-t^2}\dt=\int_0^1t\e^{-t^2}\dt=\dfrac12(1-\e^{-1}) f ( 0 ) = ∫ 1 0 ( − t ) e − t 2 d t = ∫ 0 1 t e − t 2 d t = 2 1 ( 1 − e − 1 ) 。
x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 时积分上下限相同,值为 0;f ( 0 ) f(0) f ( 0 ) 用凑微分 t d t = 1 2 d t 2 t\dt=\frac12\dd t^2 t d t = 2 1 d t 2 。
答案:减区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,-1) ( − ∞ , − 1 ) 、( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) ,增区间 ( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 、( 1 , + ∞ ) (1,+\infty) ( 1 , + ∞ ) ;极小值 f ( ± 1 ) = 0 f(\pm1)=0 f ( ± 1 ) = 0 ,极大值 f ( 0 ) = 1 2 ( 1 − e − 1 ) f(0)=\frac12(1-\e^{-1}) f ( 0 ) = 2 1 ( 1 − e − 1 )
例 5.27 2025 数一(1)
已知函数
f ( x ) = ∫ 0 x e t 2 sin t d t f(x)=\int_0^x\e^{t^2}\sin t\dt f ( x ) = ∫ 0 x e t 2 sin t d t ,
g ( x ) = ∫ 0 x e t 2 d t ⋅ sin 2 x g(x)=\int_0^x\e^{t^2}\dt\cdot\sin^2x g ( x ) = ∫ 0 x e t 2 d t ⋅ sin 2 x ,则( )
(A)
x = 0 x=0 x = 0 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的极值点,也是
g ( x ) g(x) g ( x ) 的极值点
(B)
x = 0 x=0 x = 0 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的极值点,
( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 是曲线
y = g ( x ) y=g(x) y = g ( x ) 的拐点
(C)
x = 0 x=0 x = 0 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的极值点,
( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 是曲线
y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 的拐点
(D)
( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 是曲线
y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) 的拐点,也是曲线
y = g ( x ) y=g(x) y = g ( x ) 的拐点
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 看 f f f 在 0 附近的主项。 e t 2 sin t ∼ t \e^{t^2}\sin t\sim t e t 2 sin t ∼ t ,所以 f ( x ) ∼ x 2 2 f(x)\sim\dfrac{x^2}2 f ( x ) ∼ 2 x 2 :x = 0 x=0 x = 0 是极小值点,不是拐点。
主项次数 2(偶数)→ 极值点。直接看:f ′ ( x ) = e x 2 sin x f'(x)=\e^{x^2}\sin x f ′ ( x ) = e x 2 sin x 在 0 两侧由负变正。
② 看 g g g 的主项。 ∫ 0 x e t 2 d t ∼ x \int_0^x\e^{t^2}\dt\sim x ∫ 0 x e t 2 d t ∼ x ,sin 2 x ∼ x 2 \sin^2x\sim x^2 sin 2 x ∼ x 2 ,g ( x ) ∼ x 3 g(x)\sim x^3 g ( x ) ∼ x 3 :0 不是极值点,( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 是拐点。所以选(B)。
主项次数 3(奇数)→ 拐点。g ′ ′ ( x ) ∼ 6 x g''(x)\sim6x g ′′ ( x ) ∼ 6 x 在 0 两侧变号。
答案:B
例 5.28 2015 数二(19)
已知函数
f ( x ) = ∫ x 1 1 + t 2 d t + ∫ 1 x 2 1 + t d t f(x)=\int_x^1\sqrt{1+t^2}\dt+\int_1^{x^2}\sqrt{1+t}\dt f ( x ) = ∫ x 1 1 + t 2 d t + ∫ 1 x 2 1 + t d t ,求
f ( x ) f(x) f ( x ) 零点的个数。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求导。 f ′ ( x ) = − 1 + x 2 + 2 x 1 + x 2 = ( 2 x − 1 ) 1 + x 2 f'(x)=-\sqrt{1+x^2}+2x\sqrt{1+x^2}=(2x-1)\sqrt{1+x^2} f ′ ( x ) = − 1 + x 2 + 2 x 1 + x 2 = ( 2 x − 1 ) 1 + x 2 。
下限 x x x 带负号;上限 x 2 x^2 x 2 乘 2 x 2x 2 x ,且 1 + x 2 \sqrt{1+x^2} 1 + x 2 两项相同可以提出。
② 单调性。 x < 1 2 x<\frac12 x < 2 1 时 f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ,f f f 减;x > 1 2 x>\frac12 x > 2 1 时 f ′ > 0 f'>0 f ′ > 0 ,f f f 增。
1 + x 2 \sqrt{1+x^2} 1 + x 2 恒正,不影响正负,f ′ f' f ′ 的符号完全由 2 x − 1 2x-1 2 x − 1 决定:x < 1 2 x<\frac12 x < 2 1 为负,x > 1 2 x>\frac12 x > 2 1 为正。
③ 看关键点的值。 f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 ,所以 f ( 1 2 ) < f ( 1 ) = 0 f\big(\frac12\big)<f(1)=0 f ( 2 1 ) < f ( 1 ) = 0 ;x → − ∞ x\to-\infty x → − ∞ 时 ∫ x 1 1 + t 2 d t → + ∞ \int_x^1\sqrt{1+t^2}\dt\to+\infty ∫ x 1 1 + t 2 d t → + ∞ ,∫ 1 x 2 1 + t d t → + ∞ \int_1^{x^2}\sqrt{1+t}\dt\to+\infty ∫ 1 x 2 1 + t d t → + ∞ ,f → + ∞ f\to+\infty f → + ∞ 。
x = 1 x=1 x = 1 时两个积分上下限都相同。
④ 结论。 ( − ∞ , 1 2 ) \big(-\infty,\frac12\big) ( − ∞ , 2 1 ) 上从 + ∞ +\infty + ∞ 减到负值,恰有一个零点;( 1 2 , + ∞ ) \big(\frac12,+\infty\big) ( 2 1 , + ∞ ) 上增,零点就是 x = 1 x=1 x = 1 。共 2 个。
单调区间内至多一个零点,再用零点定理确定存在。
答案:2 个
5.6 对变限积分再积分、积分方程
大白话:要求 ∫ a b g ( x ) [ ∫ c x h ( t ) d t ] d x \int_a^bg(x)\Big[\int_c^xh(t)\dt\Big]\dx ∫ a b g ( x ) [ ∫ c x h ( t ) d t ] d x 时,里面的变限积分通常积不出来,但它的导数是 h ( x ) h(x) h ( x ) ,很简单。所以分部积分,让变限积分当 u u u (求导)、g ( x ) g(x) g ( x ) 去凑 d v \dd v d v ;选 v v v 时加一个常数,让边界项在积分下限(常数 c c c )那一端为 0 。另一类是“积分方程”:函数满足含它自己积分的等式,两边求导变成微分方程或递推。
x y O f (x )=∫1 x ln(1+ t )/t dt (实线)f ′(x )=ln(1+x )/x (虚线)f (1)=01 2013 数一(15):f ( x ) f(x) f ( x ) 自己积不出来,但 f ′ ( x ) = ln ( 1 + x ) x f'(x)=\frac{\ln(1+x)}x f ′ ( x ) = x l n ( 1 + x ) 简单、f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 ;分部时让 f f f 当 u u u ,边界项消失。
两个工具
分部:∫ a b g ( x ) F ( x ) d x = [ G ( x ) F ( x ) ] a b − ∫ a b G ( x ) F ′ ( x ) d x \int_a^bg(x)F(x)\dx=\big[G(x)F(x)\big]_a^b-\int_a^bG(x)F'(x)\dx ∫ a b g ( x ) F ( x ) d x = [ G ( x ) F ( x ) ] a b − ∫ a b G ( x ) F ′ ( x ) d x ,其中 F ( x ) = ∫ c x h F(x)=\int_c^xh F ( x ) = ∫ c x h ,F ′ = h F'=h F ′ = h ,G ′ = g G'=g G ′ = g 。G G G 选成在 x = c x=c x = c 处为 0 的那个原函数(如 F = ∫ 1 x F=\int_1^x F = ∫ 1 x 就取 G ( 1 ) = 0 G(1)=0 G ( 1 ) = 0 )。
积分方程:f ( x ) = φ ( x ) + ∫ 0 x f ( t ) d t f(x)=\varphi(x)+\int_0^xf(t)\dt f ( x ) = φ ( x ) + ∫ 0 x f ( t ) d t 两边求导得 f ′ = φ ′ + f f'=\varphi'+f f ′ = φ ′ + f ;代 x = 0 x=0 x = 0 得初值 f ( 0 ) = φ ( 0 ) f(0)=\varphi(0) f ( 0 ) = φ ( 0 ) 。
方法卡 · 被积函数里有变限积分
什么时候用
∫ a b ( ⋯ ) [ ∫ c x ( ⋯ ) d t ] d x \int_a^b(\cdots)\Big[\int_c^x(\cdots)\dt\Big]\dx ∫ a b ( ⋯ ) [ ∫ c x ( ⋯ ) d t ] d x ,或
f f f 由含
∫ f \int f ∫ f 的等式确定。
步骤
变限积分当 u u u ,其余凑 d v \dd v d v ,v v v 取在 x = c x=c x = c 处为 0 的原函数。
边界项通常为 0,剩下的积分里变限积分已变成被积函数,按普通定积分算。
积分方程:两边求导,别忘了代特殊点定初值。
最容易错
边界项没算就丢掉(只有选对
v v v 才为 0);积分方程只求导不定初值。
例 5.29 2013 数一(15) 李林 第六章 §1 例 8 · p135
计算
∫ 0 1 f ( x ) x d x \int_0^1\dfrac{f(x)}{\sqrt x}\dx ∫ 0 1 x f ( x ) d x ,其中
f ( x ) = ∫ 1 x ln ( t + 1 ) t d t f(x)=\int_1^x\dfrac{\ln(t+1)}t\dt f ( x ) = ∫ 1 x t ln ( t + 1 ) d t 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部,f f f 当 u u u 。 d x x = d ( 2 x ) \dfrac{\dx}{\sqrt x}=\dd(2\sqrt x) x d x = d ( 2 x ) ,原式 = 2 x f ( x ) ∣ 0 1 − ∫ 0 1 2 x ⋅ ln ( 1 + x ) x d x =2\sqrt xf(x)\Big|_0^1-\int_0^12\sqrt x\cdot\dfrac{\ln(1+x)}x\dx = 2 x f ( x ) 0 1 − ∫ 0 1 2 x ⋅ x ln ( 1 + x ) d x 。
f f f 积不出来但导数简单;边界项:x = 1 x=1 x = 1 时 f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 ,x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时 x → 0 \sqrt x\to0 x → 0 而 f f f 有界,也为 0。
② 化简剩下的积分。 原式 = − 2 ∫ 0 1 ln ( 1 + x ) x d x =-2\int_0^1\dfrac{\ln(1+x)}{\sqrt x}\dx = − 2 ∫ 0 1 x ln ( 1 + x ) d x ,令 t = x t=\sqrt x t = x := − 4 ∫ 0 1 ln ( 1 + t 2 ) d t =-4\int_0^1\ln(1+t^2)\dt = − 4 ∫ 0 1 ln ( 1 + t 2 ) d t 。
令 t = x t=\sqrt x t = x ,x = t 2 x=t^2 x = t 2 ,d x = 2 t d t \dd x=2t\dt d x = 2 t d t ,所以 d x x = 2 t d t t = 2 d t \frac{\dx}{\sqrt x}=\frac{2t\dt}t=2\dt x d x = t 2 t d t = 2 d t ;ln ( 1 + x ) \ln(1+x) ln ( 1 + x ) 变成 ln ( 1 + t 2 ) \ln(1+t^2) ln ( 1 + t 2 ) 。
③ 再分部。 ∫ 0 1 ln ( 1 + t 2 ) d t = t ln ( 1 + t 2 ) ∣ 0 1 − ∫ 0 1 2 t 2 1 + t 2 d t = ln 2 − 2 + 2 arctan 1 = ln 2 − 2 + π 2 \int_0^1\ln(1+t^2)\dt=t\ln(1+t^2)\Big|_0^1-\int_0^1\dfrac{2t^2}{1+t^2}\dt=\ln2-2+2\arctan1=\ln2-2+\dfrac\pi2 ∫ 0 1 ln ( 1 + t 2 ) d t = t ln ( 1 + t 2 ) 0 1 − ∫ 0 1 1 + t 2 2 t 2 d t = ln 2 − 2 + 2 arctan 1 = ln 2 − 2 + 2 π 。
分部后剩下 ∫ 2 t 2 1 + t 2 d t \int\frac{2t^2}{1+t^2}\dt ∫ 1 + t 2 2 t 2 d t ,分子加一减一:2 t 2 1 + t 2 = 2 − 2 1 + t 2 \frac{2t^2}{1+t^2}=2-\frac2{1+t^2} 1 + t 2 2 t 2 = 2 − 1 + t 2 2 ,就能直接积。
④ 结果。 原式 = − 4 ( ln 2 − 2 + π 2 ) = 8 − 2 π − 4 ln 2 =-4\Big(\ln2-2+\dfrac\pi2\Big)=8-2\pi-4\ln2 = − 4 ( ln 2 − 2 + 2 π ) = 8 − 2 π − 4 ln 2 。
约等于 − 1.056 -1.056 − 1.056 ,负数合理:( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 上 f ( x ) < 0 f(x)<0 f ( x ) < 0 。
答案:8 − 2 π − 4 ln 2 8-2\pi-4\ln2 8 − 2 π − 4 ln 2
例 5.30 2019 数三(11)
已知函数
f ( x ) = ∫ 1 x 1 + t 4 d t f(x)=\int_1^x\sqrt{1+t^4}\dt f ( x ) = ∫ 1 x 1 + t 4 d t ,则
∫ 0 1 x 2 f ( x ) d x = \int_0^1x^2f(x)\dx= ∫ 0 1 x 2 f ( x ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部,f f f 当 u u u 。 x 2 d x = d x 3 3 x^2\dx=\dd\dfrac{x^3}3 x 2 d x = d 3 x 3 ,原式 = x 3 3 f ( x ) ∣ 0 1 − ∫ 0 1 x 3 3 1 + x 4 d x = 0 − 1 3 ∫ 0 1 x 3 1 + x 4 d x =\dfrac{x^3}3f(x)\Big|_0^1-\int_0^1\dfrac{x^3}3\sqrt{1+x^4}\dx=0-\dfrac13\int_0^1x^3\sqrt{1+x^4}\dx = 3 x 3 f ( x ) 0 1 − ∫ 0 1 3 x 3 1 + x 4 d x = 0 − 3 1 ∫ 0 1 x 3 1 + x 4 d x 。
f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 ,下限处 x 3 = 0 x^3=0 x 3 = 0 ,边界项为 0。
② 凑微分。 x 3 d x = 1 4 d ( 1 + x 4 ) x^3\dx=\dfrac14\dd(1+x^4) x 3 d x = 4 1 d ( 1 + x 4 ) ,∫ 0 1 x 3 1 + x 4 d x = 1 6 ( 1 + x 4 ) 3 2 ∣ 0 1 = 2 2 − 1 6 \int_0^1x^3\sqrt{1+x^4}\dx=\dfrac16(1+x^4)^{\frac32}\Big|_0^1=\dfrac{2\sqrt2-1}6 ∫ 0 1 x 3 1 + x 4 d x = 6 1 ( 1 + x 4 ) 2 3 0 1 = 6 2 2 − 1 。
1 + x 4 1+x^4 1 + x 4 的导数是 4 x 3 4x^3 4 x 3 ,被积函数里恰好有 x 3 x^3 x 3 ,所以凑 d ( 1 + x 4 ) \dd(1+x^4) d ( 1 + x 4 ) ,差的系数 4 用 1 4 \frac14 4 1 补。
③ 结果。 原式 = − 2 2 − 1 18 = 1 − 2 2 18 =-\dfrac{2\sqrt2-1}{18}=\dfrac{1-2\sqrt2}{18} = − 18 2 2 − 1 = 18 1 − 2 2 。
前面分部时留下了系数 − 1 3 -\frac13 − 3 1 ,要乘上去才是最后结果。
答案:1 − 2 2 18 \frac{1-2\sqrt2}{18} 18 1 − 2 2
例 5.31 2019 数二(13)
已知函数
f ( x ) = x ∫ 1 x sin t 2 t d t f(x)=x\int_1^x\dfrac{\sin t^2}t\dt f ( x ) = x ∫ 1 x t sin t 2 d t ,则
∫ 0 1 f ( x ) d x = \int_0^1f(x)\dx= ∫ 0 1 f ( x ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部。 记 F ( x ) = ∫ 1 x sin t 2 t d t F(x)=\int_1^x\frac{\sin t^2}t\dt F ( x ) = ∫ 1 x t s i n t 2 d t ,x d x = d x 2 2 x\dx=\dd\frac{x^2}2 x d x = d 2 x 2 :∫ 0 1 x F ( x ) d x = x 2 2 F ( x ) ∣ 0 1 − ∫ 0 1 x 2 2 ⋅ sin x 2 x d x = − 1 2 ∫ 0 1 x sin x 2 d x \int_0^1xF(x)\dx=\dfrac{x^2}2F(x)\Big|_0^1-\int_0^1\dfrac{x^2}2\cdot\dfrac{\sin x^2}x\dx=-\dfrac12\int_0^1x\sin x^2\dx ∫ 0 1 x F ( x ) d x = 2 x 2 F ( x ) 0 1 − ∫ 0 1 2 x 2 ⋅ x sin x 2 d x = − 2 1 ∫ 0 1 x sin x 2 d x 。
F ( 1 ) = 0 F(1)=0 F ( 1 ) = 0 ;x → 0 x\to0 x → 0 时 F F F 有界(被积函数 sin t 2 t → 0 \frac{\sin t^2}t\to0 t s i n t 2 → 0 ),x 2 F → 0 x^2F\to0 x 2 F → 0 。
② 凑微分。 ∫ 0 1 x sin x 2 d x = − 1 2 cos x 2 ∣ 0 1 = 1 − cos 1 2 \int_0^1x\sin x^2\dx=-\dfrac12\cos x^2\Big|_0^1=\dfrac{1-\cos1}2 ∫ 0 1 x sin x 2 d x = − 2 1 cos x 2 0 1 = 2 1 − cos 1 。
x d x x\dx x d x 正好是 1 2 d ( x 2 ) \frac12\dd(x^2) 2 1 d ( x 2 ) ,把 x 2 x^2 x 2 看成 u u u ,就是 1 2 ∫ sin u d u \frac12\int\sin u\du 2 1 ∫ sin u d u 。
③ 结果。 原式 = − 1 − cos 1 4 = cos 1 − 1 4 =-\dfrac{1-\cos1}4=\dfrac{\cos1-1}4 = − 4 1 − cos 1 = 4 cos 1 − 1 。
别忘了分部时留下的系数 − 1 2 -\frac12 − 2 1 ,乘上去才是最后结果。
答案:cos 1 − 1 4 \frac{\cos1-1}4 4 c o s 1 − 1
例 5.32 2016 数二(21)
已知函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , 3 π 2 ] \big[0,\frac{3\pi}2\big] [ 0 , 2 3 π ] 上连续,在
( 0 , 3 π 2 ) \big(0,\frac{3\pi}2\big) ( 0 , 2 3 π ) 内是函数
cos x 2 x − 3 π \dfrac{\cos x}{2x-3\pi} 2 x − 3 π cos x 的一个原函数,且
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 。(Ⅰ)求
f ( x ) f(x) f ( x ) 在区间
[ 0 , 3 π 2 ] \big[0,\frac{3\pi}2\big] [ 0 , 2 3 π ] 上的平均值;(Ⅱ)证明
f ( x ) f(x) f ( x ) 在区间
( 0 , 3 π 2 ) \big(0,\frac{3\pi}2\big) ( 0 , 2 3 π ) 内存在唯一零点。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出 f f f 。 f ( x ) = ∫ 0 x cos t 2 t − 3 π d t f(x)=\int_0^x\dfrac{\cos t}{2t-3\pi}\dt f ( x ) = ∫ 0 x 2 t − 3 π cos t d t 。
原函数 + f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 定出常数;被积函数在 3 π 2 \frac{3\pi}2 2 3 π 处趋于 1 2 \frac12 2 1 ,有界。
② (Ⅰ) 分部,v v v 取 x − 3 π 2 x-\frac{3\pi}2 x − 2 3 π 。 ∫ 0 3 π / 2 f d x = ( x − 3 π 2 ) f ( x ) ∣ 0 3 π / 2 − ∫ 0 3 π / 2 ( x − 3 π 2 ) cos x 2 x − 3 π d x = 0 − 1 2 ∫ 0 3 π / 2 cos x d x = 1 2 \int_0^{3\pi/2}f\dx=\Big(x-\dfrac{3\pi}2\Big)f(x)\Big|_0^{3\pi/2}-\int_0^{3\pi/2}\Big(x-\dfrac{3\pi}2\Big)\dfrac{\cos x}{2x-3\pi}\dx=0-\dfrac12\int_0^{3\pi/2}\cos x\dx=\dfrac12 ∫ 0 3 π /2 f d x = ( x − 2 3 π ) f ( x ) 0 3 π /2 − ∫ 0 3 π /2 ( x − 2 3 π ) 2 x − 3 π cos x d x = 0 − 2 1 ∫ 0 3 π /2 cos x d x = 2 1 。
v = x − 3 π 2 v=x-\frac{3\pi}2 v = x − 2 3 π 让上限处边界项为 0(下限处 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ),并且正好约掉分母 2 x − 3 π 2x-3\pi 2 x − 3 π 。
③ (Ⅰ) 平均值。 1 / 2 3 π / 2 = 1 3 π \dfrac{1/2}{3\pi/2}=\dfrac1{3\pi} 3 π /2 1/2 = 3 π 1 。
平均值 = 积分 ÷ 区间长度。
④ (Ⅱ) 单调性。 f ′ ( x ) = cos x 2 x − 3 π f'(x)=\dfrac{\cos x}{2x-3\pi} f ′ ( x ) = 2 x − 3 π cos x :( 0 , π 2 ) \big(0,\frac\pi2\big) ( 0 , 2 π ) 上 < 0 <0 < 0 ,( π 2 , 3 π 2 ) \big(\frac\pi2,\frac{3\pi}2\big) ( 2 π , 2 3 π ) 上 > 0 >0 > 0 。所以 f f f 先减后增,f ( x ) < f ( 0 ) = 0 f(x)<f(0)=0 f ( x ) < f ( 0 ) = 0 (0 < x ≤ π 2 0<x\le\frac\pi2 0 < x ≤ 2 π )。
分母恒负,cos x \cos x cos x 在 π 2 \frac\pi2 2 π 变号。
⑤ (Ⅱ) 存在唯一。 平均值 1 3 π > 0 \frac1{3\pi}>0 3 π 1 > 0 ,而 [ 0 , π 2 ] \big[0,\frac\pi2\big] [ 0 , 2 π ] 上 f ≤ 0 f\le0 f ≤ 0 ,所以 f f f 在 ( π 2 , 3 π 2 ] \big(\frac\pi2,\frac{3\pi}2\big] ( 2 π , 2 3 π ] 上必有正值,又单调增,故 f ( 3 π 2 ) > 0 f\big(\frac{3\pi}2\big)>0 f ( 2 3 π ) > 0 ,由零点定理,( π 2 , 3 π 2 ) \big(\frac\pi2,\frac{3\pi}2\big) ( 2 π , 2 3 π ) 内恰有一个零点。
第(Ⅰ)问的平均值为正,是第(Ⅱ)问“右端为正”的依据。
答案:(Ⅰ) 1 3 π \frac1{3\pi} 3 π 1 ;(Ⅱ) 证明题。思路:f f f 在 ( 0 , π 2 ) (0,\frac\pi2) ( 0 , 2 π ) 上减、在 ( π 2 , 3 π 2 ) (\frac\pi2,\frac{3\pi}2) ( 2 π , 2 3 π ) 上增,左段 f < 0 f<0 f < 0 ;平均值为正说明 f ( 3 π 2 ) > 0 f(\frac{3\pi}2)>0 f ( 2 3 π ) > 0 ,零点定理加单调性得唯一零点。
例 5.33 2016 数二(12)
已知函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上连续,且
f ( x ) = ( x + 1 ) 2 + 2 ∫ 0 x f ( t ) d t f(x)=(x+1)^2+2\int_0^xf(t)\dt f ( x ) = ( x + 1 ) 2 + 2 ∫ 0 x f ( t ) d t ,则当
n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 时,
f ( n ) ( 0 ) = f^{(n)}(0)= f ( n ) ( 0 ) = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求导去掉积分。 f ′ ( x ) = 2 ( x + 1 ) + 2 f ( x ) f'(x)=2(x+1)+2f(x) f ′ ( x ) = 2 ( x + 1 ) + 2 f ( x ) ,f ′ ′ ( x ) = 2 + 2 f ′ ( x ) f''(x)=2+2f'(x) f ′′ ( x ) = 2 + 2 f ′ ( x ) ,n ≥ 3 n\ge3 n ≥ 3 时 f ( n ) ( x ) = 2 f ( n − 1 ) ( x ) f^{(n)}(x)=2f^{(n-1)}(x) f ( n ) ( x ) = 2 f ( n − 1 ) ( x ) 。
右边有 ∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f ,说明 f f f 可导;多求几次导,( x + 1 ) 2 (x+1)^2 ( x + 1 ) 2 的导数很快变成 0。
② 定初值。 f ( 0 ) = 1 f(0)=1 f ( 0 ) = 1 ,f ′ ( 0 ) = 2 + 2 = 4 f'(0)=2+2=4 f ′ ( 0 ) = 2 + 2 = 4 ,f ′ ′ ( 0 ) = 2 + 8 = 10 f''(0)=2+8=10 f ′′ ( 0 ) = 2 + 8 = 10 。
在原方程和求导后的方程里代 x = 0 x=0 x = 0 :∫ 0 0 f = 0 \int_0^0f=0 ∫ 0 0 f = 0 ,所以能依次得到 f ( 0 ) f(0) f ( 0 ) 、f ′ ( 0 ) f'(0) f ′ ( 0 ) 、f ′ ′ ( 0 ) f''(0) f ′′ ( 0 ) 的具体值。
③ 递推。 f ( n ) ( 0 ) = 2 n − 2 f ′ ′ ( 0 ) = 10 ⋅ 2 n − 2 = 5 ⋅ 2 n − 1 f^{(n)}(0)=2^{n-2}f''(0)=10\cdot2^{n-2}=5\cdot2^{n-1} f ( n ) ( 0 ) = 2 n − 2 f ′′ ( 0 ) = 10 ⋅ 2 n − 2 = 5 ⋅ 2 n − 1 (n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 )。
每求一次导乘 2,是公比为 2 的等比递推,从 f ′ ′ ( 0 ) = 10 f''(0)=10 f ′′ ( 0 ) = 10 往上推。
答案:5 ⋅ 2 n − 1 5\cdot2^{n-1} 5 ⋅ 2 n − 1
例 5.34 李林 第六章 §1 例 7 · p135
设
f ( x ) = ∫ 0 x sin t π − t d t f(x)=\int_0^x\dfrac{\sin t}{\pi-t}\dt f ( x ) = ∫ 0 x π − t sin t d t ,计算
∫ 0 π f ( x ) d x \int_0^\pi f(x)\dx ∫ 0 π f ( x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部,v v v 取 x − π x-\pi x − π 。 ∫ 0 π f d x = ( x − π ) f ( x ) ∣ 0 π − ∫ 0 π ( x − π ) sin x π − x d x \int_0^\pi f\dx=(x-\pi)f(x)\Big|_0^\pi-\int_0^\pi(x-\pi)\dfrac{\sin x}{\pi-x}\dx ∫ 0 π f d x = ( x − π ) f ( x ) 0 π − ∫ 0 π ( x − π ) π − x sin x d x 。
f f f 当 u u u ;v = x − π v=x-\pi v = x − π 让上限处为 0,下限处 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,并且约掉分母 π − x \pi-x π − x 。
② 算。 = 0 + ∫ 0 π sin x d x = 2 =0+\int_0^\pi\sin x\dx=2 = 0 + ∫ 0 π sin x d x = 2 。
π − x = − ( x − π ) \pi-x=-(x-\pi) π − x = − ( x − π ) ,所以 ( x − π ) ⋅ sin x π − x = − sin x (x-\pi)\cdot\frac{\sin x}{\pi-x}=-\sin x ( x − π ) ⋅ π − x s i n x = − sin x ,和前面的减号一抵消,变成 + ∫ 0 π sin x d x +\int_0^\pi\sin x\dx + ∫ 0 π sin x d x 。
答案:2
5.7 小结
题目里的说法 换成什么 例子
d d x ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t \frac{\dd}{\dd x}\int_{\psi(x)}^{\varphi(x)}f(t)\dt d x d ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t 上限代入乘上限导数,减下限代入乘下限导数 例 5.1
参数方程、隐函数、反函数里有变限积分 变限积分求导只是一步,按原题型走 例 5.2 、例 5.5 、例 5.7
被积函数含 x x x ,能提出 提到积分号外,乘积法则 例 5.3 、例 5.26
f ( x − t ) f(x-t) f ( x − t ) 、f ( x t ) f(xt) f ( x t ) 、f ( x 2 − t 2 ) f(x^2-t^2) f ( x 2 − t 2 ) 换元把 x x x 挪到积分限上 例 5.8 、例 5.10 、例 5.11
∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 的奇偶奇积成偶、偶积成奇(下限 0);复合看内外层 例 5.12 、例 5.15 、例 5.14
被积函数有跳跃点 变限积分连续,左右导数不等 例 5.13
含变限积分的 0 0 \frac00 0 0 极限 等价化简分母,洛必达一次 例 5.17 、例 5.18
∞ − ∞ \infty-\infty ∞ − ∞ 且含 ∫ 0 x e t 2 d t \int_0^x\e^{t^2}\dt ∫ 0 x e t 2 d t 通分,被积函数展开后逐项积分 例 5.19
几个变限积分比阶 (被积函数的阶 + 1)× 上限的阶 例 5.20 、例 5.21
lim f \lim f lim f 、lim f ′ \lim f' lim f ′ 、平均值极限的关系f → A ⇒ f\to A\Rightarrow f → A ⇒ 平均值 → A \to A → A ;其余反例例 5.24
由极限条件定参数范围 分别看 0 + 0^+ 0 + 与 + ∞ +\infty + ∞ ,取交集 例 5.25
单调区间、极值 求导,逐个因子判断符号 例 5.26
“是极值点还是拐点” 看主项 c x k cx^k c x k :k k k 偶极值,k k k 奇拐点 例 5.27
零点个数 单调区间 + 端点符号 + 零点定理 例 5.28
∫ a b g ( x ) [ ∫ c x h ] d x \int_a^bg(x)\big[\int_c^xh\big]\dx ∫ a b g ( x ) [ ∫ c x h ] d x 分部,变限积分当 u u u ,v v v 在 c c c 处取 0 例 5.29 、例 5.30 、例 5.34
f = φ + ∫ 0 x f f=\varphi+\int_0^xf f = φ + ∫ 0 x f 求导得微分方程或递推,代 0 定初值 例 5.33
学完了,标记这一部分
第 6 部分
反常积分
积分区间无限或被积函数无界时的积分。先找“问题点”拆段,再用 p p p 积分这把尺子判断敛散;计算时和定积分一样,只是代入改成取极限。
考试要求(大纲原文,李林讲义第六章第 6 条)
理解反常积分的概念,了解反常积分收敛的比较判别法,会计算反常积分。
对应李林讲义第六章第四节“反常积分”(p152—156)。数一只考选择、填空:判敛(2010(3)、2016(1))和计算(2013(12)、2021(11)、2026(14));数二考得更多,判敛的参数范围题几乎年年有,这里都拿来做练习。
6.1 反常积分是什么:找“问题点”,拆开取极限
大白话:普通定积分要求区间有限、被积函数有界。两条只要有一条不满足,就叫反常积分:积分区间伸到无穷远(无穷限),或者被积函数在某点附近趋于无穷(这个点叫瑕点) 。算法是先在“正常”的一段上积分,再让端点趋向无穷远或瑕点取极限:极限存在叫收敛,否则叫发散。
x y 1 y =1/x ²[1,+∞) 上的面积 = 1 x y 1 y =1/√x (0,1] 上的面积 = 2 左:1 x 2 \frac1{x^2} x 2 1 在 [ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [ 1 , + ∞ ) 上面积为 1;右:1 x \frac1{\sqrt x} x 1 在 ( 0 , 1 ] (0,1] ( 0 , 1 ] 上面积为 2。一个是区间无限,一个是函数无界,面积都有限,都收敛。
定义
∫ a + ∞ f ( x ) d x = lim b → + ∞ ∫ a b f ( x ) d x , \displaystyle \int_a^{+\infty}f(x)\dx=\lim_{b\to+\infty}\int_a^bf(x)\dx, ∫ a + ∞ f ( x ) d x = b → + ∞ lim ∫ a b f ( x ) d x , ∫ a b f ( x ) d x = lim ε → 0 + ∫ a + ε b f ( x ) d x ( a 为瑕点 ) . \displaystyle \int_a^bf(x)\dx=\lim_{\eps\to0^+}\int_{a+\eps}^bf(x)\dx\ \ (a\text{ 为瑕点}). ∫ a b f ( x ) d x = ε → 0 + lim ∫ a + ε b f ( x ) d x ( a 为瑕点 ) .
牛顿—莱布尼茨照用:∫ a + ∞ f d x = F ( x ) ∣ a + ∞ = lim x → + ∞ F ( x ) − F ( a ) \int_a^{+\infty}f\dx=F(x)\Big|_a^{+\infty}=\lim\limits_{x\to+\infty}F(x)-F(a) ∫ a + ∞ f d x = F ( x ) a + ∞ = x → + ∞ lim F ( x ) − F ( a ) ,瑕点处也代极限。
一个积分里有几个问题点,就拆成几段,每段只含一个问题点;每一段都收敛,整个才收敛 。∫ − ∞ + ∞ \int_{-\infty}^{+\infty} ∫ − ∞ + ∞ 要拆成 ∫ − ∞ 0 + ∫ 0 + ∞ \int_{-\infty}^0+\int_0^{+\infty} ∫ − ∞ 0 + ∫ 0 + ∞ 。
瑕点可能藏在区间内部(分母为 0 的点),做题前先找。
方法卡 · 反常积分的第一步
什么时候用
积分限有
± ∞ \pm\infty ± ∞ ,或被积函数在区间端点、内部某点无界。
步骤
找出所有问题点:± ∞ \pm\infty ± ∞ 、分母的零点、ln \ln ln 的 0 点等。
在问题点之间任取分点,把积分拆开,每段只含一个问题点。
每段单独判断(6.2、6.3 节)或计算(6.4 节);有一段发散,整个就发散。
最容易错
用“奇函数在对称区间上积分为 0”算
∫ − ∞ + ∞ x 1 + x 2 d x \int_{-\infty}^{+\infty}\frac x{1+x^2}\dx ∫ − ∞ + ∞ 1 + x 2 x d x ——它两段都发散,整个发散;漏掉区间内部的瑕点。
例 6.1 李林 第六章 §4 例 4 注① · p154
判断敛散,收敛的求值:(1)
∫ 1 + ∞ d x x 2 \int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2} ∫ 1 + ∞ x 2 d x ;(2)
∫ 0 1 d x x \int_0^1\dfrac{\dx}{\sqrt x} ∫ 0 1 x d x ;(3)
∫ 1 + ∞ d x x \int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}x ∫ 1 + ∞ x d x ;(4)
∫ − ∞ + ∞ x 1 + x 2 d x \int_{-\infty}^{+\infty}\dfrac x{1+x^2}\dx ∫ − ∞ + ∞ 1 + x 2 x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1)(2) 代极限。 ∫ 1 + ∞ d x x 2 = − 1 x ∣ 1 + ∞ = 0 + 1 = 1 \int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2}=-\dfrac1x\Big|_1^{+\infty}=0+1=1 ∫ 1 + ∞ x 2 d x = − x 1 1 + ∞ = 0 + 1 = 1 ;∫ 0 1 d x x = 2 x ∣ 0 1 = 2 \int_0^1\dfrac{\dx}{\sqrt x}=2\sqrt x\Big|_0^1=2 ∫ 0 1 x d x = 2 x 0 1 = 2 。
原函数在问题点处有有限极限,就收敛,值等于极限相减。
② (3) 原函数趋于无穷。 ∫ 1 b d x x = ln b → + ∞ \int_1^b\dfrac{\dx}x=\ln b\to+\infty ∫ 1 b x d x = ln b → + ∞ ,发散。
1 x \frac1x x 1 衰减得不够快,面积无限大。
③ (4) 必须拆开。 ∫ 0 + ∞ x 1 + x 2 d x = 1 2 ln ( 1 + x 2 ) ∣ 0 + ∞ = + ∞ \int_0^{+\infty}\dfrac x{1+x^2}\dx=\dfrac12\ln(1+x^2)\Big|_0^{+\infty}=+\infty ∫ 0 + ∞ 1 + x 2 x d x = 2 1 ln ( 1 + x 2 ) 0 + ∞ = + ∞ ,这一段已经发散,所以整个发散。
虽然被积函数是奇函数,但“奇函数积分为 0”只对收敛的积分成立;∫ − ∞ + ∞ \int_{-\infty}^{+\infty} ∫ − ∞ + ∞ 按定义两段都要收敛。
答案:(1) 1;(2) 2;(3) 发散;(4) 发散
例 6.2 2011 数二(12)
设函数
f ( x ) = { λ e − λ x , x > 0 0 , x ≤ 0 f(x)=\begin{cases}\lambda\e^{-\lambda x},&x>0\\0,&x\le0\end{cases} f ( x ) = { λ e − λ x , 0 , x > 0 x ≤ 0 ,
λ > 0 \lambda>0 λ > 0 ,则
∫ − ∞ + ∞ x f ( x ) d x = \int_{-\infty}^{+\infty}xf(x)\dx= ∫ − ∞ + ∞ x f ( x ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 去掉为 0 的一段。 x ≤ 0 x\le0 x ≤ 0 时 f = 0 f=0 f = 0 ,原式 = ∫ 0 + ∞ λ x e − λ x d x =\int_0^{+\infty}\lambda x\e^{-\lambda x}\dx = ∫ 0 + ∞ λ x e − λ x d x 。
分段函数先把没用的部分去掉。
② 分部积分。 ∫ 0 + ∞ x d ( − e − λ x ) = − x e − λ x ∣ 0 + ∞ + ∫ 0 + ∞ e − λ x d x = 0 + 1 λ \int_0^{+\infty}x\,\dd(-\e^{-\lambda x})=-x\e^{-\lambda x}\Big|_0^{+\infty}+\int_0^{+\infty}\e^{-\lambda x}\dx=0+\dfrac1\lambda ∫ 0 + ∞ x d ( − e − λ x ) = − x e − λ x 0 + ∞ + ∫ 0 + ∞ e − λ x d x = 0 + λ 1 。
x e − λ x → 0 x\e^{-\lambda x}\to0 x e − λ x → 0 (x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ ,指数压过幂)。这是概率论里指数分布的期望。
答案:1 λ \frac1\lambda λ 1
6.2 两把尺子:p p p 积分
大白话:判断反常积分是否收敛,就是看被积函数趋于 0(在无穷远)或趋于无穷(在瑕点)的“快慢”。拿来做比较的尺子只有一把:1 x p \frac1{x^p} x p 1 。在无穷远,p > 1 p>1 p > 1 衰减够快,收敛;在 0 附近,p < 1 p<1 p < 1 长得不够快,收敛;p = 1 p=1 p = 1 两边都发散。记法:“无穷远要大于 1,瑕点要小于 1”。
x y O p =1/2p =1p =21 (0,1]:p <1 收敛 [1,+∞):p >1 收敛 p =1 两边都发散y = 1 x p y=\frac1{x^p} y = x p 1 :[ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [ 1 , + ∞ ) 上 p > 1 p>1 p > 1 收敛,( 0 , 1 ] (0,1] ( 0 , 1 ] 上 p < 1 p<1 p < 1 收敛,p = 1 p=1 p = 1 是分界,两边都发散。
p p p 积分与对数型(大串讲 L20)
∫ 1 + ∞ d x x p { 收敛 , p > 1 发散 , p ≤ 1 \displaystyle \int_1^{+\infty}\frac{\dx}{x^p}\ \begin{cases}\text{收敛},&p>1\\\text{发散},&p\le1\end{cases} ∫ 1 + ∞ x p d x { 收敛 , 发散 , p > 1 p ≤ 1 ∫ 0 1 d x x p { 收敛 , p < 1 发散 , p ≥ 1 \displaystyle \int_0^1\frac{\dx}{x^p}\ \begin{cases}\text{收敛},&p<1\\\text{发散},&p\ge1\end{cases} ∫ 0 1 x p d x { 收敛 , 发散 , p < 1 p ≥ 1
瑕点在 a a a :∫ a b d x ( x − a ) p \int_a^b\frac{\dx}{(x-a)^p} ∫ a b ( x − a ) p d x 同样是 p < 1 p<1 p < 1 收敛。
对数型:∫ 2 + ∞ d x x ln p x \int_2^{+\infty}\frac{\dx}{x\ln^px} ∫ 2 + ∞ x l n p x d x 、∫ 0 1 / 2 d x x ∣ ln x ∣ p \int_0^{1/2}\frac{\dx}{x|\ln x|^p} ∫ 0 1/2 x ∣ l n x ∣ p d x 都是 p > 1 p>1 p > 1 收敛(令 u = ln x u=\ln x u = ln x 化成 p p p 积分)。
对数的任何次方都“弱”:ln k x \ln^kx ln k x 不改变 x p x^p x p 型的敛散(p ≠ 1 p\ne1 p = 1 时),∫ 0 1 ∣ ln x ∣ k d x \int_0^1|\ln x|^k\dx ∫ 0 1 ∣ ln x ∣ k d x 对任何 k > 0 k>0 k > 0 都收敛。
指数最强:∫ 0 + ∞ x k e − λ x d x \int_0^{+\infty}x^k\e^{-\lambda x}\dx ∫ 0 + ∞ x k e − λ x d x (λ > 0 \lambda>0 λ > 0 )总收敛。
什么时候用
被积函数是(或者很快能看成)
1 x p \frac1{x^p} x p 1 、
ln k x x p \frac{\ln^kx}{x^p} x p l n k x 、
x k e − λ x x^k\e^{-\lambda x} x k e − λ x 的样子。
步骤
确定问题点是无穷远还是瑕点。
写出被积函数在问题点附近的主项 c x p \frac c{x^p} x p c (或 c ( x − a ) p \frac c{(x-a)^p} ( x − a ) p c )。
无穷远:p > 1 p>1 p > 1 收敛;瑕点:p < 1 p<1 p < 1 收敛;p = 1 p=1 p = 1 且带 ln \ln ln 时用对数型。
最容易错
把两把尺子的方向记反;
ln x x \frac{\ln x}x x l n x 在无穷远以为“有
ln \ln ln 就慢”而收敛——它比
1 x \frac1x x 1 还大,发散。
例 6.3 2015 数二(1)
下列反常积分中收敛的是( )
(A)
∫ 2 + ∞ 1 x d x \int_2^{+\infty}\dfrac1{\sqrt x}\dx ∫ 2 + ∞ x 1 d x (B)
∫ 2 + ∞ ln x x d x \int_2^{+\infty}\dfrac{\ln x}x\dx ∫ 2 + ∞ x ln x d x (C)
∫ 2 + ∞ 1 x ln x d x \int_2^{+\infty}\dfrac1{x\ln x}\dx ∫ 2 + ∞ x ln x 1 d x (D)
∫ 2 + ∞ x e x d x \int_2^{+\infty}\dfrac x{\e^x}\dx ∫ 2 + ∞ e x x d x
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (A)(B)。 (A)p = 1 2 ≤ 1 p=\frac12\le1 p = 2 1 ≤ 1 ,发散;(B)ln x x > 1 x \dfrac{\ln x}x>\dfrac1x x ln x > x 1 (x > e x>\e x > e ),比发散的 1 x \frac1x x 1 还大,发散(或直接 1 2 ln 2 x → ∞ \frac12\ln^2x\to\infty 2 1 ln 2 x → ∞ )。
看无穷远处的“尺子” 1 x p \frac1{x^p} x p 1 :必须 p > 1 p>1 p > 1 才收敛,1 x \frac1{\sqrt x} x 1 的 p = 1 2 p=\frac12 p = 2 1 不够。
② (C)。 ∫ 2 b d x x ln x = ln ln b − ln ln 2 → + ∞ \int_2^b\dfrac{\dx}{x\ln x}=\ln\ln b-\ln\ln2\to+\infty ∫ 2 b x ln x d x = ln ln b − ln ln 2 → + ∞ ,发散。
1 x ln x \frac1{x\ln x} x l n x 1 是对数型尺子 1 x ln p x \frac1{x\ln^px} x l n p x 1 中 p = 1 p=1 p = 1 的情形,正好在分界上,发散(原函数 ln ln x → ∞ \ln\ln x\to\infty ln ln x → ∞ )。
③ (D)。 ∫ 2 + ∞ x e − x d x = − ( x + 1 ) e − x ∣ 2 + ∞ = 3 e − 2 \int_2^{+\infty}x\e^{-x}\dx=-(x+1)\e^{-x}\Big|_2^{+\infty}=3\e^{-2} ∫ 2 + ∞ x e − x d x = − ( x + 1 ) e − x 2 + ∞ = 3 e − 2 ,收敛。所以选(D)。
指数衰减压过任何幂。
答案:D
例 6.4 2019 数二(3)
下列反常积分发散的是( )
(A)
∫ 0 + ∞ x e − x d x \int_0^{+\infty}x\e^{-x}\dx ∫ 0 + ∞ x e − x d x (B)
∫ 0 + ∞ x e − x 2 d x \int_0^{+\infty}x\e^{-x^2}\dx ∫ 0 + ∞ x e − x 2 d x (C)
∫ 0 + ∞ arctan x 1 + x 2 d x \int_0^{+\infty}\dfrac{\arctan x}{1+x^2}\dx ∫ 0 + ∞ 1 + x 2 arctan x d x (D)
∫ 0 + ∞ x 1 + x 2 d x \int_0^{+\infty}\dfrac x{1+x^2}\dx ∫ 0 + ∞ 1 + x 2 x d x
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 前三个都能直接积出来。 (A)= 1 =1 = 1 ;(B)= 1 2 =\dfrac12 = 2 1 ;(C)= 1 2 arctan 2 x ∣ 0 + ∞ = π 2 8 =\dfrac12\arctan^2x\Big|_0^{+\infty}=\dfrac{\pi^2}8 = 2 1 arctan 2 x 0 + ∞ = 8 π 2 。
(B)x d x = 1 2 d x 2 x\dx=\frac12\dd x^2 x d x = 2 1 d x 2 ;(C) d x 1 + x 2 = d arctan x \frac{\dx}{1+x^2}=\dd\arctan x 1 + x 2 d x = d arctan x 。两个都能凑微分,直接算出有限值。
② (D)。 x 1 + x 2 ∼ 1 x \dfrac x{1+x^2}\sim\dfrac1x 1 + x 2 x ∼ x 1 (p = 1 p=1 p = 1 ),发散;或 1 2 ln ( 1 + x 2 ) → + ∞ \dfrac12\ln(1+x^2)\to+\infty 2 1 ln ( 1 + x 2 ) → + ∞ 。所以选(D)。
主项是 1 x \frac1x x 1 ,正好在分界上,发散。
答案:D
例 6.5 李林 第六章 §4 提要 · p152
讨论
p p p 取何值时收敛:(1)
∫ 2 + ∞ d x x ln p x \int_2^{+\infty}\dfrac{\dx}{x\ln^px} ∫ 2 + ∞ x ln p x d x ;(2)
∫ 0 1 ln x d x \int_0^1\ln x\dx ∫ 0 1 ln x d x ;(3)
∫ 1 + ∞ ln x x 2 d x \int_1^{+\infty}\dfrac{\ln x}{x^2}\dx ∫ 1 + ∞ x 2 ln x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 令 u = ln x u=\ln x u = ln x 。 d x x = d u \dfrac{\dx}x=\du x d x = d u ,原式 = ∫ ln 2 + ∞ d u u p =\int_{\ln2}^{+\infty}\dfrac{\du}{u^p} = ∫ l n 2 + ∞ u p d u ,p > 1 p>1 p > 1 收敛,p ≤ 1 p\le1 p ≤ 1 发散。
对数型化成 p p p 积分。
② (2) 瑕点 0。 ∫ 0 1 ln x d x = ( x ln x − x ) ∣ 0 + 1 = − 1 \int_0^1\ln x\dx=(x\ln x-x)\Big|_{0^+}^1=-1 ∫ 0 1 ln x d x = ( x ln x − x ) 0 + 1 = − 1 ,收敛。
x ln x → 0 x\ln x\to0 x ln x → 0 ;对数在 0 处无界但“弱”,任何次方都可积。
③ (3) 无穷远。 ln x x 2 ≤ C x 3 / 2 \dfrac{\ln x}{x^2}\le\dfrac{C}{x^{3/2}} x 2 ln x ≤ x 3/2 C (ln x x \frac{\ln x}{\sqrt x} x l n x 有界),比 p = 3 2 > 1 p=\frac32>1 p = 2 3 > 1 的尺子小,收敛(值为 1)。
ln \ln ln 可以用 x x x 的任意小正次方压住,把 x 2 x^2 x 2 分一点给它。
答案:(1) p > 1 p>1 p > 1 ;(2) 收敛于 − 1 -1 − 1 ;(3) 收敛(值 1)
6.3 比较判别法与参数范围
大白话:被积函数(非负时)比收敛的尺子小,就收敛;比发散的尺子大,就发散 。更好用的是“极限形式”:在问题点附近 f ( x ) ∼ c x p f(x)\sim\frac c{x^p} f ( x ) ∼ x p c ,就和 1 x p \frac1{x^p} x p 1 同敛散。含参数的题,就是把每个问题点处的“等价阶数”算出来,写成关于参数的不等式,最后取交集。
左端斜率 −a :像 1/x a 右端斜率 −(a +b ):像 1/x a + b 0.01 1 100 lg x lg y y =1/(x a (1+ x )b ), a =1/2,b =12016 数一(1):被积函数在 0 + 0^+ 0 + 附近像 1 x a \frac1{x^a} x a 1 ,在 + ∞ +\infty + ∞ 附近像 1 x a + b \frac1{x^{a+b}} x a + b 1 ;两头分别与 p p p 积分比较。
比较判别法(李林 p152—153)
设 f ( x ) ≥ 0 f(x)\ge0 f ( x ) ≥ 0 。
无穷限:lim x → + ∞ x p f ( x ) = l \lim\limits_{x\to+\infty}x^pf(x)=l x → + ∞ lim x p f ( x ) = l 。0 ≤ l < + ∞ 0\le l<+\infty 0 ≤ l < + ∞ 且 p > 1 p>1 p > 1 ⇒ \Rightarrow ⇒ 收敛;0 < l ≤ + ∞ 0<l\le+\infty 0 < l ≤ + ∞ 且 p ≤ 1 p\le1 p ≤ 1 ⇒ \Rightarrow ⇒ 发散。
瑕点 a a a :lim x → a + ( x − a ) p f ( x ) = l \lim\limits_{x\to a^+}(x-a)^pf(x)=l x → a + lim ( x − a ) p f ( x ) = l 。0 ≤ l < + ∞ 0\le l<+\infty 0 ≤ l < + ∞ 且 p < 1 p<1 p < 1 ⇒ \Rightarrow ⇒ 收敛;0 < l ≤ + ∞ 0<l\le+\infty 0 < l ≤ + ∞ 且 p ≥ 1 p\ge1 p ≥ 1 ⇒ \Rightarrow ⇒ 发散。
有理函数 P n ( x ) Q m ( x ) \frac{P_n(x)}{Q_m(x)} Q m ( x ) P n ( x ) 在 [ a , + ∞ ) [a,+\infty) [ a , + ∞ ) 上(分母无零点):m − n > 1 m-n>1 m − n > 1 收敛,m − n ≤ 1 m-n\le1 m − n ≤ 1 发散。
被积函数变号时,先看 ∣ f ∣ |f| ∣ f ∣ :∫ ∣ f ∣ \int|f| ∫ ∣ f ∣ 收敛则 ∫ f \int f ∫ f 收敛(绝对收敛)。
方法卡 · 判敛与参数范围
什么时候用
选择题问“哪个收敛/发散”,或“收敛时参数的范围”。
步骤
找出全部问题点(包括区间内部的),拆段。
每个问题点处用等价无穷小(大)写出主项 c x p \frac c{x^p} x p c 或 c ( x − a ) p \frac c{(x-a)^p} ( x − a ) p c ,得到一个“阶数” p p p 。
无穷远要 p > 1 p>1 p > 1 ,瑕点要 p < 1 p<1 p < 1 ,写成参数的不等式。
所有问题点的条件取交集。
最容易错
只看了一个端点就下结论(如
∫ 0 + ∞ \int_0^{+\infty} ∫ 0 + ∞ 忘了看 0 处);
ln x \ln x ln x 在
x = 1 x=1 x = 1 处是 0,会“抵消”分母的瑕点(2022 数二(5))。
例 6.6 2010 数一(3)
设
m , n m,n m , n 均是正整数,则反常积分
∫ 0 1 ln 2 ( 1 − x ) m x n d x \int_0^1\dfrac{\sqrt[m]{\ln^2(1-x)}}{\sqrt[n]x}\dx ∫ 0 1 n x m ln 2 ( 1 − x ) d x 的收敛性( )
(A)仅与
m m m 的取值有关 (B)仅与
n n n 的取值有关
(C)与
m , n m,n m , n 的取值都有关 (D)与
m , n m,n m , n 的取值都无关
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 两个问题点:0 和 1。 x → 0 + x\to0^+ x → 0 + :分母 → 0 \to0 → 0 ;x → 1 − x\to1^- x → 1 − :ln ( 1 − x ) → − ∞ \ln(1-x)\to-\infty ln ( 1 − x ) → − ∞ 。拆成 ∫ 0 1 / 2 + ∫ 1 / 2 1 \int_0^{1/2}+\int_{1/2}^1 ∫ 0 1/2 + ∫ 1/2 1 。
反常积分的第一步:找出所有问题点,每段只留一个。
② x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 。 ln 2 ( 1 − x ) ∼ x 2 \ln^2(1-x)\sim x^2 ln 2 ( 1 − x ) ∼ x 2 ,被积函数 ∼ x 2 / m x 1 / n = 1 x 1 / n − 2 / m \sim\dfrac{x^{2/m}}{x^{1/n}}=\dfrac1{x^{1/n-2/m}} ∼ x 1/ n x 2/ m = x 1/ n − 2/ m 1 ,而 1 n − 2 m < 1 \dfrac1n-\dfrac2m<1 n 1 − m 2 < 1 ,收敛。
1 n ≤ 1 \frac1n\le1 n 1 ≤ 1 ,再减去正数 2 m \frac2m m 2 ,一定小于 1;瑕点要 p < 1 p<1 p < 1 。
③ x → 1 − x\to1^- x → 1 − 。 分母 → 1 \to1 → 1 ,被积函数 ∼ ∣ ln ( 1 − x ) ∣ 2 / m \sim|\ln(1-x)|^{2/m} ∼ ∣ ln ( 1 − x ) ∣ 2/ m ,对数的任何正次方在瑕点都可积,收敛。
对数“弱”,比任何 1 ( 1 − x ) ε \frac1{(1-x)^\eps} ( 1 − x ) ε 1 都小。
④ 结论。 对所有正整数 m , n m,n m , n 都收敛,所以选(D)。
两段都收敛,与参数无关。
答案:D
例 6.7 2016 数一(1)
若反常积分
∫ 0 + ∞ d x x a ( 1 + x ) b \int_0^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^a(1+x)^b} ∫ 0 + ∞ x a ( 1 + x ) b d x 收敛,则( )
(A)
a < 1 a<1 a < 1 且
b > 1 b>1 b > 1 (B)
a > 1 a>1 a > 1 且
b > 1 b>1 b > 1 (C)
a < 1 a<1 a < 1 且
a + b > 1 a+b>1 a + b > 1 (D)
a > 1 a>1 a > 1 且
a + b > 1 a+b>1 a + b > 1
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆成两段。 ∫ 0 1 + ∫ 1 + ∞ \int_0^1+\int_1^{+\infty} ∫ 0 1 + ∫ 1 + ∞ ,问题点是 0 0 0 和 + ∞ +\infty + ∞ 。
无穷限和瑕点同时存在,必须分开。
② x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 。 ( 1 + x ) b → 1 (1+x)^b\to1 ( 1 + x ) b → 1 ,被积函数 ∼ 1 x a \sim\dfrac1{x^a} ∼ x a 1 ,收敛要求 a < 1 a<1 a < 1 。
0 附近 ( 1 + x ) b → 1 (1+x)^b\to1 ( 1 + x ) b → 1 ,被积函数像 1 x a \frac1{x^a} x a 1 ;瑕点处的尺子要求 p < 1 p<1 p < 1 ,所以 a < 1 a<1 a < 1 。
③ x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 。 ( 1 + x ) b ∼ x b (1+x)^b\sim x^b ( 1 + x ) b ∼ x b ,被积函数 ∼ 1 x a + b \sim\dfrac1{x^{a+b}} ∼ x a + b 1 ,收敛要求 a + b > 1 a+b>1 a + b > 1 。所以选(C)。
x x x 很大时 ( 1 + x ) b (1+x)^b ( 1 + x ) b 和 x b x^b x b 差不多,被积函数像 1 x a + b \frac1{x^{a+b}} x a + b 1 ;无穷远处要求 p > 1 p>1 p > 1 ,所以 a + b > 1 a+b>1 a + b > 1 。
答案:C
例 6.8 2013 数二(4)
设函数
f ( x ) = { 1 ( x − 1 ) α − 1 , 1 < x < e 1 x ln α + 1 x , x ≥ e f(x)=\begin{cases}\dfrac1{(x-1)^{\alpha-1}},&1<x<\e\\\dfrac1{x\ln^{\alpha+1}x},&x\ge\e\end{cases} f ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ ( x − 1 ) α − 1 1 , x ln α + 1 x 1 , 1 < x < e x ≥ e 。若反常积分
∫ 1 + ∞ f ( x ) d x \int_1^{+\infty}f(x)\dx ∫ 1 + ∞ f ( x ) d x 收敛,则( )
(A)
α < − 2 \alpha<-2 α < − 2 (B)
α > 2 \alpha>2 α > 2 (C)
− 2 < α < 0 -2<\alpha<0 − 2 < α < 0 (D)
0 < α < 2 0<\alpha<2 0 < α < 2
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 瑕点 x = 1 x=1 x = 1 。 ∫ 1 e d x ( x − 1 ) α − 1 \int_1^{\e}\dfrac{\dx}{(x-1)^{\alpha-1}} ∫ 1 e ( x − 1 ) α − 1 d x 收敛 ⟺ α − 1 < 1 ⟺ α < 2 \iff\alpha-1<1\iff\alpha<2 ⟺ α − 1 < 1 ⟺ α < 2 。
x = 1 x=1 x = 1 是瑕点,被积函数就是 1 ( x − 1 ) α − 1 \frac1{(x-1)^{\alpha-1}} ( x − 1 ) α − 1 1 ,和尺子比,p = α − 1 p=\alpha-1 p = α − 1 必须小于 1。
② 无穷远。 ∫ e + ∞ d x x ln α + 1 x \int_{\e}^{+\infty}\dfrac{\dx}{x\ln^{\alpha+1}x} ∫ e + ∞ x ln α + 1 x d x 收敛 ⟺ α + 1 > 1 ⟺ α > 0 \iff\alpha+1>1\iff\alpha>0 ⟺ α + 1 > 1 ⟺ α > 0 。
无穷远处是对数型尺子 1 x ln p x \frac1{x\ln^px} x l n p x 1 ,这里 p = α + 1 p=\alpha+1 p = α + 1 ,必须大于 1。
③ 交集。 0 < α < 2 0<\alpha<2 0 < α < 2 。所以选(D)。
两段都收敛,整个积分才收敛,所以取两个条件的交集。
答案:D
例 6.9 2022 数二(5)
设
p p p 为常数,若反常积分
∫ 0 1 ln x x p ( 1 − x ) 1 − p d x \int_0^1\dfrac{\ln x}{x^p(1-x)^{1-p}}\dx ∫ 0 1 x p ( 1 − x ) 1 − p ln x d x 收敛,则
p p p 的取值范围是( )
(A)
( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) (B)
( − 1 , 2 ) (-1,2) ( − 1 , 2 ) (C)
( − ∞ , 1 ) (-\infty,1) ( − ∞ , 1 ) (D)
( − ∞ , 2 ) (-\infty,2) ( − ∞ , 2 )
解答先遮住,自己试 5 分钟
① x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 。 ( 1 − x ) 1 − p → 1 (1-x)^{1-p}\to1 ( 1 − x ) 1 − p → 1 ,被积函数 ∼ ln x x p \sim\dfrac{\ln x}{x^p} ∼ x p ln x :p < 1 p<1 p < 1 时收敛(对数不改变结论),p ≥ 1 p\ge1 p ≥ 1 发散。
ln x \ln x ln x 是“弱”因子,看 x p x^p x p 就行;p = 1 p=1 p = 1 时 ln x x \frac{\ln x}x x l n x 积出 1 2 ln 2 x \frac12\ln^2x 2 1 ln 2 x ,发散。
② x → 1 − x\to1^- x → 1 − :ln x \ln x ln x 帮忙。 ln x ∼ x − 1 = − ( 1 − x ) \ln x\sim x-1=-(1-x) ln x ∼ x − 1 = − ( 1 − x ) ,被积函数 ∼ − 1 − x ( 1 − x ) 1 − p = − 1 ( 1 − x ) − p \sim-\dfrac{1-x}{(1-x)^{1-p}}=-\dfrac1{(1-x)^{-p}} ∼ − ( 1 − x ) 1 − p 1 − x = − ( 1 − x ) − p 1 ,收敛要求 − p < 1 -p<1 − p < 1 ,即 p > − 1 p>-1 p > − 1 。
ln x \ln x ln x 在 1 处为 0,把分母的一次瑕点抵消掉一部分。
③ 交集。 − 1 < p < 1 -1<p<1 − 1 < p < 1 。所以选(A)。
两个问题点的条件同时满足。
答案:A
例 6.10 2026 数二(11)
已知
p p p 为常数,反常积分
∫ 0 + ∞ arctan x x p ( 1 + x ) d x \int_0^{+\infty}\dfrac{\arctan x}{x^p(1+x)}\dx ∫ 0 + ∞ x p ( 1 + x ) arctan x d x 收敛,则
p p p 的取值范围是 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 。 arctan x ∼ x \arctan x\sim x arctan x ∼ x ,被积函数 ∼ x x p = 1 x p − 1 \sim\dfrac x{x^p}=\dfrac1{x^{p-1}} ∼ x p x = x p − 1 1 ,要求 p − 1 < 1 p-1<1 p − 1 < 1 ,p < 2 p<2 p < 2 。
等价无穷小换掉 arctan x \arctan x arctan x 。
② x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 。 arctan x → π 2 \arctan x\to\dfrac\pi2 arctan x → 2 π ,被积函数 ∼ π / 2 x p + 1 \sim\dfrac{\pi/2}{x^{p+1}} ∼ x p + 1 π /2 ,要求 p + 1 > 1 p+1>1 p + 1 > 1 ,p > 0 p>0 p > 0 。
arctan \arctan arctan 趋于常数,不影响阶。
答案:( 0 , 2 ) (0,2) ( 0 , 2 )
例 6.11 2016 数二(3)
反常积分 ①
∫ − ∞ 0 1 x 2 e 1 x d x \int_{-\infty}^0\dfrac1{x^2}\e^{\frac1x}\dx ∫ − ∞ 0 x 2 1 e x 1 d x ,②
∫ 0 + ∞ 1 x 2 e 1 x d x \int_0^{+\infty}\dfrac1{x^2}\e^{\frac1x}\dx ∫ 0 + ∞ x 2 1 e x 1 d x 的敛散性为( )
(A)①收敛,②收敛 (B)①收敛,②发散 (C)①发散,②收敛 (D)①发散,②发散
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 原函数。 1 x 2 d x = − d 1 x \dfrac1{x^2}\dx=-\dd\dfrac1x x 2 1 d x = − d x 1 ,原函数 − e 1 x -\e^{\frac1x} − e x 1 。
凑微分,里层是 1 x \frac1x x 1 。
② ①。 − e 1 x ∣ − ∞ 0 − = − 0 + e 0 = 1 -\e^{\frac1x}\Big|_{-\infty}^{0^-}=-0+\e^0=1 − e x 1 − ∞ 0 − = − 0 + e 0 = 1 ,收敛。
x x x 从左边趋于 0 时 1 x → − ∞ \frac1x\to-\infty x 1 → − ∞ ,e \e e 的负无穷次方趋于 0,所以原函数在 0 − 0^- 0 − 处有有限极限。
③ ②。 x → 0 + x\to0^+ x → 0 + 时 1 x → + ∞ \frac1x\to+\infty x 1 → + ∞ ,e 1 x → + ∞ \e^{\frac1x}\to+\infty e x 1 → + ∞ ,发散。所以选(B)。
同一个瑕点,左右两侧完全不同。
答案:B
例 6.12 2024 数二(7)
设非负函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 上连续,给定以下三个命题:(Ⅰ)若
∫ 0 + ∞ f 2 ( x ) d x \int_0^{+\infty}f^2(x)\dx ∫ 0 + ∞ f 2 ( x ) d x 收敛,则
∫ 0 + ∞ f ( x ) d x \int_0^{+\infty}f(x)\dx ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x 收敛;(Ⅱ)若存在
p > 1 p>1 p > 1 ,使极限
lim x → + ∞ x p f ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}x^pf(x) x → + ∞ lim x p f ( x ) 存在,则
∫ 0 + ∞ f ( x ) d x \int_0^{+\infty}f(x)\dx ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x 收敛;(Ⅲ)若
∫ 0 + ∞ f ( x ) d x \int_0^{+\infty}f(x)\dx ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x 收敛,则存在
p > 1 p>1 p > 1 ,使极限
lim x → + ∞ x p f ( x ) \lim\limits_{x\to+\infty}x^pf(x) x → + ∞ lim x p f ( x ) 存在。其中正确的个数是( )
(A)0 (B)1 (C)2 (D)3
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 错。 f = 1 1 + x f=\dfrac1{1+x} f = 1 + x 1 :∫ 0 + ∞ d x ( 1 + x ) 2 = 1 \int_0^{+\infty}\dfrac{\dx}{(1+x)^2}=1 ∫ 0 + ∞ ( 1 + x ) 2 d x = 1 收敛,但 ∫ 0 + ∞ d x 1 + x \int_0^{+\infty}\dfrac{\dx}{1+x} ∫ 0 + ∞ 1 + x d x 发散。
平方让函数衰减得更快,反推不回去。
② (Ⅱ) 对。 极限存在,则 x x x 充分大时 0 ≤ f ( x ) ≤ C x p 0\le f(x)\le\dfrac{C}{x^p} 0 ≤ f ( x ) ≤ x p C ,p > 1 p>1 p > 1 ,比较判别法收敛;[ 0 , A ] [0,A] [ 0 , A ] 上连续,积分正常。
这就是比较判别法的极限形式。
③ (Ⅲ) 错。 f ( x ) = 1 ( x + 2 ) ln 2 ( x + 2 ) f(x)=\dfrac1{(x+2)\ln^2(x+2)} f ( x ) = ( x + 2 ) ln 2 ( x + 2 ) 1 :∫ 0 + ∞ f d x = 1 ln 2 \int_0^{+\infty}f\dx=\dfrac1{\ln2} ∫ 0 + ∞ f d x = ln 2 1 收敛,但对任何 p > 1 p>1 p > 1 ,x p f ( x ) ∼ x p − 1 ln 2 x → + ∞ x^pf(x)\sim\dfrac{x^{p-1}}{\ln^2x}\to+\infty x p f ( x ) ∼ ln 2 x x p − 1 → + ∞ 。所以选(B)。
收敛的积分,被积函数可以比所有 1 x p \frac1{x^p} x p 1 (p > 1 p>1 p > 1 )都衰减得慢,对数型就是例子。
答案:B
例 6.13 李林 第六章 §4 例 3、例 4 注② · p153—154
判断敛散:(1)
∫ 1 + ∞ d x x 2 1 + x \int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2\sqrt{1+x}} ∫ 1 + ∞ x 2 1 + x d x ;(2)
∫ 0 1 d x ln ( 1 + x ) \int_0^1\dfrac{\dx}{\ln(1+x)} ∫ 0 1 ln ( 1 + x ) d x ;(3)
∫ 0 + ∞ x 2 + 1 x 4 + x + 1 d x \int_0^{+\infty}\dfrac{x^2+1}{x^4+x+1}\dx ∫ 0 + ∞ x 4 + x + 1 x 2 + 1 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 无穷远的阶。 被积函数 ∼ 1 x 5 / 2 \sim\dfrac1{x^{5/2}} ∼ x 5/2 1 ,p = 5 2 > 1 p=\frac52>1 p = 2 5 > 1 ,收敛。
x x x 很大时 1 + x \sqrt{1+x} 1 + x 和 x \sqrt x x 差不多,被积函数像 1 x 2 ⋅ x 1 / 2 = 1 x 5 / 2 \frac1{x^2\cdot x^{1/2}}=\frac1{x^{5/2}} x 2 ⋅ x 1/2 1 = x 5/2 1 ,p = 5 2 > 1 p=\frac52>1 p = 2 5 > 1 。
② (2) 瑕点 0。 ln ( 1 + x ) ∼ x \ln(1+x)\sim x ln ( 1 + x ) ∼ x ,被积函数 ∼ 1 x \sim\dfrac1x ∼ x 1 ,p = 1 p=1 p = 1 ,发散。
ln ( 1 + x ) ∼ x \ln(1+x)\sim x ln ( 1 + x ) ∼ x ,被积函数像 1 x \frac1x x 1 ;瑕点处尺子的 p = 1 p=1 p = 1 ,不满足 p < 1 p<1 p < 1 ,所以发散。
③ (3) 有理函数。 分母在 [ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 上无零点,次数差 4 − 2 = 2 > 1 4-2=2>1 4 − 2 = 2 > 1 ,收敛。
有理函数在无穷远处像 1 x m − n \frac1{x^{m-n}} x m − n 1 (m m m 、n n n 是分母、分子的次数),和尺子 1 x p \frac1{x^p} x p 1 比:次数差大于 1 就收敛;分母没有零点,就没有瑕点要管。
答案:(1) 收敛;(2) 发散;(3) 收敛
6.4 反常积分的计算:两个模子
大白话:算反常积分和算定积分一样:找原函数,代上下限;只是在无穷远、瑕点处“代入”要改成取极限 。真题里反复出现两个模子:一是分部积分(ln x \ln x ln x 、arctan x \arctan x arctan x 当 u u u ),二是有理函数(配方成 arctan、拆项成 ln)。拆项后两项各自发散,要先合并成一个对数再取极限。
x y O 1 5 10 y =ln x /(1+x )²[1,+∞) 上的面积 = ln 2 ≈ 0.693 分部:ln x 当 u 2013 数一(12):y = ln x ( 1 + x ) 2 y=\frac{\ln x}{(1+x)^2} y = ( 1 + x ) 2 l n x 在 [ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [ 1 , + ∞ ) 下的面积是 ln 2 \ln2 ln 2 。
两个模子(大串讲 L20)
分部模子 :∫ 1 + ∞ ln x ( 1 + x ) 2 d x = [ − ln x 1 + x ] 1 + ∞ + ∫ 1 + ∞ d x x ( 1 + x ) \int_1^{+\infty}\dfrac{\ln x}{(1+x)^2}\dx=\Big[-\dfrac{\ln x}{1+x}\Big]_1^{+\infty}+\int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x(1+x)} ∫ 1 + ∞ ( 1 + x ) 2 ln x d x = [ − 1 + x ln x ] 1 + ∞ + ∫ 1 + ∞ x ( 1 + x ) d x ;边界项里 ln x x → 0 \frac{\ln x}{x}\to0 x l n x → 0 。
有理模子 :∫ d x x ( x + 1 ) = ln x x + 1 + C \int\dfrac{\dx}{x(x+1)}=\ln\dfrac x{x+1}+C ∫ x ( x + 1 ) d x = ln x + 1 x + C ,x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 ln x x + 1 → 0 \ln\dfrac x{x+1}\to0 ln x + 1 x → 0 。先合并再取极限 :ln x − ln ( x + 1 ) \ln x-\ln(x+1) ln x − ln ( x + 1 ) 分开是 ∞ − ∞ \infty-\infty ∞ − ∞ 。
常用极限:lim x → + ∞ arctan x = π 2 \lim\limits_{x\to+\infty}\arctan x=\frac\pi2 x → + ∞ lim arctan x = 2 π ,lim x → + ∞ ln x x α = 0 \lim\limits_{x\to+\infty}\frac{\ln x}{x^\alpha}=0 x → + ∞ lim x α l n x = 0 ,lim x → 0 + x α ln x = 0 \lim\limits_{x\to0^+}x^\alpha\ln x=0 x → 0 + lim x α ln x = 0 (α > 0 \alpha>0 α > 0 )。
方法卡 · 计算反常积分
步骤
按定积分的方法求原函数(分部、有理函数、换元)。
拆项得到的几个对数先合并成一个。
在无穷远、瑕点处取极限代入。
区间内部有瑕点时,拆开分别算。
最容易错
把
lim x → + ∞ [ ln x − ln ( x + 1 ) ] \lim\limits_{x\to+\infty}\big[\ln x-\ln(x+1)\big] x → + ∞ lim [ ln x − ln ( x + 1 ) ] 写成
∞ − ∞ \infty-\infty ∞ − ∞ 说“发散”;瑕点在区间内部却直接代上下限。
例 6.14 2013 数一(12)
∫ 1 + ∞ ln x ( 1 + x ) 2 d x = \int_1^{+\infty}\dfrac{\ln x}{(1+x)^2}\dx= ∫ 1 + ∞ ( 1 + x ) 2 ln x d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部,ln x \ln x ln x 当 u u u 。 d x ( 1 + x ) 2 = d ( − 1 1 + x ) \dfrac{\dx}{(1+x)^2}=\dd\Big(-\dfrac1{1+x}\Big) ( 1 + x ) 2 d x = d ( − 1 + x 1 ) ,原式 = − ln x 1 + x ∣ 1 + ∞ + ∫ 1 + ∞ d x x ( 1 + x ) =-\dfrac{\ln x}{1+x}\Big|_1^{+\infty}+\int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x(1+x)} = − 1 + x ln x 1 + ∞ + ∫ 1 + ∞ x ( 1 + x ) d x 。
对数求导变成 1 x \frac1x x 1 ,剩下有理函数。
② 边界项。 x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 ln x 1 + x → 0 \dfrac{\ln x}{1+x}\to0 1 + x ln x → 0 ;x = 1 x=1 x = 1 时为 0。边界项 = 0 =0 = 0 。
x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时对数 ln x \ln x ln x 比一次函数 1 + x 1+x 1 + x 长得慢得多,比值趋于 0(洛必达一次:1 / x 1 → 0 \frac{1/x}1\to0 1 1/ x → 0 )。
③ 有理部分。 ∫ 1 + ∞ ( 1 x − 1 1 + x ) d x = ln x 1 + x ∣ 1 + ∞ = 0 − ln 1 2 = ln 2 \int_1^{+\infty}\Big(\dfrac1x-\dfrac1{1+x}\Big)\dx=\ln\dfrac x{1+x}\Big|_1^{+\infty}=0-\ln\dfrac12=\ln2 ∫ 1 + ∞ ( x 1 − 1 + x 1 ) d x = ln 1 + x x 1 + ∞ = 0 − ln 2 1 = ln 2 。
先合并成 ln x 1 + x \ln\frac x{1+x} ln 1 + x x 再取极限。
答案:ln 2 \ln2 ln 2
例 6.15 2021 数一(11)
∫ 0 + ∞ d x x 2 + 2 x + 2 = \int_0^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2+2x+2}= ∫ 0 + ∞ x 2 + 2 x + 2 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 配方。 x 2 + 2 x + 2 = ( x + 1 ) 2 + 1 x^2+2x+2=(x+1)^2+1 x 2 + 2 x + 2 = ( x + 1 ) 2 + 1 。
分母不能分解,配方后是 arctan 型。
② 代极限。 arctan ( x + 1 ) ∣ 0 + ∞ = π 2 − π 4 = π 4 \arctan(x+1)\Big|_0^{+\infty}=\dfrac\pi2-\dfrac\pi4=\dfrac\pi4 arctan ( x + 1 ) 0 + ∞ = 2 π − 4 π = 4 π 。
反正切的两个常用值:x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 arctan x → π 2 \arctan x\to\frac\pi2 arctan x → 2 π ;tan π 4 = 1 \tan\frac\pi4=1 tan 4 π = 1 ,所以 arctan 1 = π 4 \arctan1=\frac\pi4 arctan 1 = 4 π 。
答案:π 4 \frac\pi4 4 π
例 6.16 2026 数一(14)
∫ 1 + ∞ ln ( x + 1 ) x 2 d x = \int_1^{+\infty}\dfrac{\ln(x+1)}{x^2}\dx= ∫ 1 + ∞ x 2 ln ( x + 1 ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部。 d x x 2 = d ( − 1 x ) \dfrac{\dx}{x^2}=\dd\Big(-\dfrac1x\Big) x 2 d x = d ( − x 1 ) ,原式 = − ln ( x + 1 ) x ∣ 1 + ∞ + ∫ 1 + ∞ d x x ( x + 1 ) =-\dfrac{\ln(x+1)}x\Big|_1^{+\infty}+\int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x(x+1)} = − x ln ( x + 1 ) 1 + ∞ + ∫ 1 + ∞ x ( x + 1 ) d x 。
和 2013 数一(12) 同一个模子。
② 边界项。 x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时为 0;x = 1 x=1 x = 1 时为 − ln 2 -\ln2 − ln 2 ,减去它得 + ln 2 +\ln2 + ln 2 。
边界项 = 上限处的值 − 下限处的值:上限处 ln ( x + 1 ) x → 0 \frac{\ln(x+1)}x\to0 x l n ( x + 1 ) → 0 ,下限 x = 1 x=1 x = 1 处是 − ln 2 -\ln2 − ln 2 ,相减得 + ln 2 +\ln2 + ln 2 。
③ 有理部分。 ln x x + 1 ∣ 1 + ∞ = 0 − ln 1 2 = ln 2 \ln\dfrac x{x+1}\Big|_1^{+\infty}=0-\ln\dfrac12=\ln2 ln x + 1 x 1 + ∞ = 0 − ln 2 1 = ln 2 。合计 2 ln 2 2\ln2 2 ln 2 。
ln x \ln x ln x 和 ln ( x + 1 ) \ln(x+1) ln ( x + 1 ) 单独取极限都是 + ∞ +\infty + ∞ ,相减是“∞ − ∞ \infty-\infty ∞ − ∞ ”;先合并成 ln x x + 1 \ln\frac x{x+1} ln x + 1 x ,x x + 1 → 1 \frac x{x+1}\to1 x + 1 x → 1 ,极限就是 ln 1 = 0 \ln1=0 ln 1 = 0 。
答案:2 ln 2 2\ln2 2 ln 2
例 6.17 2014 数二(9)
∫ − ∞ 1 d x x 2 + 2 x + 5 = \int_{-\infty}^1\dfrac{\dx}{x^2+2x+5}= ∫ − ∞ 1 x 2 + 2 x + 5 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 配方。 x 2 + 2 x + 5 = ( x + 1 ) 2 + 4 x^2+2x+5=(x+1)^2+4 x 2 + 2 x + 5 = ( x + 1 ) 2 + 4 ,原函数 1 2 arctan x + 1 2 \dfrac12\arctan\dfrac{x+1}2 2 1 arctan 2 x + 1 。
配方后是 1 u 2 + a 2 \frac1{u^2+a^2} u 2 + a 2 1 型,a = 2 a=2 a = 2 ,原函数 1 2 arctan u 2 \frac12\arctan\frac u2 2 1 arctan 2 u 。
② 代极限。 1 2 [ arctan 1 − arctan ( − ∞ ) ] = 1 2 ( π 4 + π 2 ) = 3 π 8 \dfrac12\Big[\arctan1-\arctan(-\infty)\Big]=\dfrac12\Big(\dfrac\pi4+\dfrac\pi2\Big)=\dfrac{3\pi}8 2 1 [ arctan 1 − arctan ( − ∞ ) ] = 2 1 ( 4 π + 2 π ) = 8 3 π 。
x → − ∞ x\to-\infty x → − ∞ 时 arctan x + 1 2 → − π 2 \arctan\frac{x+1}2\to-\frac\pi2 arctan 2 x + 1 → − 2 π ,减去它就是加上 π 2 \frac\pi2 2 π 。
答案:3 π 8 \frac{3\pi}8 8 3 π
例 6.18 2018 数二(11)
∫ 5 + ∞ d x x 2 − 4 x + 3 = \int_5^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2-4x+3}= ∫ 5 + ∞ x 2 − 4 x + 3 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆项。 1 ( x − 1 ) ( x − 3 ) = 1 2 ( 1 x − 3 − 1 x − 1 ) \dfrac1{(x-1)(x-3)}=\dfrac12\Big(\dfrac1{x-3}-\dfrac1{x-1}\Big) ( x − 1 ) ( x − 3 ) 1 = 2 1 ( x − 3 1 − x − 1 1 ) ,原函数 1 2 ln x − 3 x − 1 \dfrac12\ln\dfrac{x-3}{x-1} 2 1 ln x − 1 x − 3 。
分母能分解,拆成两个简单分式;区间 [ 5 , + ∞ ) [5,+\infty) [ 5 , + ∞ ) 不含 1、3,没有瑕点。
② 代极限。 1 2 ( 0 − ln 2 4 ) = 1 2 ln 2 \dfrac12\Big(0-\ln\dfrac24\Big)=\dfrac12\ln2 2 1 ( 0 − ln 4 2 ) = 2 1 ln 2 。
x − 3 x − 1 \frac{x-3}{x-1} x − 1 x − 3 分子分母同次,x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时比值趋于 1,ln 1 = 0 \ln1=0 ln 1 = 0 ;下限 x = 5 x=5 x = 5 代入是 ln 2 4 \ln\frac24 ln 4 2 。
答案:1 2 ln 2 \frac12\ln2 2 1 ln 2
例 6.19 2021 数二(11)
∫ − ∞ + ∞ ∣ x ∣ 3 − x 2 d x = \int_{-\infty}^{+\infty}|x|3^{-x^2}\dx= ∫ − ∞ + ∞ ∣ x ∣ 3 − x 2 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 偶函数,翻倍。 原式 = 2 ∫ 0 + ∞ x 3 − x 2 d x =2\int_0^{+\infty}x3^{-x^2}\dx = 2 ∫ 0 + ∞ x 3 − x 2 d x 。
收敛的前提下对称性可用(指数衰减,两段都收敛)。
② 凑微分。 x d x = 1 2 d ( x 2 ) x\dx=\dfrac12\dd(x^2) x d x = 2 1 d ( x 2 ) ,2 ⋅ 1 2 ∫ 0 + ∞ 3 − u d u = − 3 − u ln 3 ∣ 0 + ∞ = 1 ln 3 2\cdot\dfrac12\int_0^{+\infty}3^{-u}\du=\dfrac{-3^{-u}}{\ln3}\Big|_0^{+\infty}=\dfrac1{\ln3} 2 ⋅ 2 1 ∫ 0 + ∞ 3 − u d u = ln 3 − 3 − u 0 + ∞ = ln 3 1 。
指数函数的积分:( a − u ) ′ = − a − u ln a (a^{-u})'=-a^{-u}\ln a ( a − u ) ′ = − a − u ln a ,所以 ∫ a − u d u = − a − u ln a \int a^{-u}\du=-\frac{a^{-u}}{\ln a} ∫ a − u d u = − l n a a − u ;u → + ∞ u\to+\infty u → + ∞ 时 3 − u → 0 3^{-u}\to0 3 − u → 0 。
答案:1 ln 3 \frac1{\ln3} l n 3 1
例 6.20 2021 数三(12)
∫ 5 5 x ∣ x 2 − 9 ∣ d x = \int_{\sqrt5}^5\dfrac x{\sqrt{|x^2-9|}}\dx= ∫ 5 5 ∣ x 2 − 9∣ x d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 区间内部有瑕点。 x = 3 x=3 x = 3 时分母为 0,拆成 ∫ 5 3 x 9 − x 2 d x + ∫ 3 5 x x 2 − 9 d x \int_{\sqrt5}^3\dfrac x{\sqrt{9-x^2}}\dx+\int_3^5\dfrac x{\sqrt{x^2-9}}\dx ∫ 5 3 9 − x 2 x d x + ∫ 3 5 x 2 − 9 x d x 。
绝对值里的零点既是瑕点,又是去绝对值的分界点。
② 两段各自凑微分。 − 9 − x 2 ∣ 5 3 = 0 + 2 = 2 -\sqrt{9-x^2}\Big|_{\sqrt5}^3=0+2=2 − 9 − x 2 5 3 = 0 + 2 = 2 ;x 2 − 9 ∣ 3 5 = 4 − 0 = 4 \sqrt{x^2-9}\Big|_3^5=4-0=4 x 2 − 9 3 5 = 4 − 0 = 4 。
两段的被积函数都是“x x x × 某个二次式的函数”,x d x = 1 2 d ( x 2 ) x\dx=\frac12\dd(x^2) x d x = 2 1 d ( x 2 ) ,凑微分后积出根号本身。
③ 相加。 2 + 4 = 6 2+4=6 2 + 4 = 6 。
两段都收敛,所以整个反常积分收敛,值为两段之和。
答案:6
例 6.21 2024 数三(12)
∫ 2 + ∞ 5 x 4 + 3 x 2 − 4 d x = \int_2^{+\infty}\dfrac5{x^4+3x^2-4}\dx= ∫ 2 + ∞ x 4 + 3 x 2 − 4 5 d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分解、拆项。 x 4 + 3 x 2 − 4 = ( x 2 + 4 ) ( x 2 − 1 ) x^4+3x^2-4=(x^2+4)(x^2-1) x 4 + 3 x 2 − 4 = ( x 2 + 4 ) ( x 2 − 1 ) ,5 ( x 2 + 4 ) ( x 2 − 1 ) = 1 x 2 − 1 − 1 x 2 + 4 \dfrac5{(x^2+4)(x^2-1)}=\dfrac1{x^2-1}-\dfrac1{x^2+4} ( x 2 + 4 ) ( x 2 − 1 ) 5 = x 2 − 1 1 − x 2 + 4 1 。
把 x 2 x^2 x 2 看成一个字母,按二次三项式分解;拆项系数用 5 = ( x 2 + 4 ) − ( x 2 − 1 ) 5=(x^2+4)-(x^2-1) 5 = ( x 2 + 4 ) − ( x 2 − 1 ) 一眼看出。
② 两项分别积分。 ∫ 2 + ∞ d x x 2 − 1 = 1 2 ln x − 1 x + 1 ∣ 2 + ∞ = 1 2 ln 3 \int_2^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2-1}=\dfrac12\ln\dfrac{x-1}{x+1}\Big|_2^{+\infty}=\dfrac12\ln3 ∫ 2 + ∞ x 2 − 1 d x = 2 1 ln x + 1 x − 1 2 + ∞ = 2 1 ln 3 ;∫ 2 + ∞ d x x 2 + 4 = 1 2 arctan x 2 ∣ 2 + ∞ = π 8 \int_2^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2+4}=\dfrac12\arctan\dfrac x2\Big|_2^{+\infty}=\dfrac\pi8 ∫ 2 + ∞ x 2 + 4 d x = 2 1 arctan 2 x 2 + ∞ = 8 π 。
1 x 2 − 1 \frac1{x^2-1} x 2 − 1 1 用积分表第 11 条(a = 1 a=1 a = 1 ),1 x 2 + 4 \frac1{x^2+4} x 2 + 4 1 用第 9 条(a = 2 a=2 a = 2 );两项都在无穷远处取极限。
③ 相减。 1 2 ln 3 − π 8 \dfrac12\ln3-\dfrac\pi8 2 1 ln 3 − 8 π 。
约 0.157,正数,合理。
答案:1 2 ln 3 − π 8 \frac12\ln3-\frac\pi8 2 1 ln 3 − 8 π
例 6.22 2017 数二(11)
∫ 0 + ∞ ln ( 1 + x ) ( 1 + x ) 2 d x = \int_0^{+\infty}\dfrac{\ln(1+x)}{(1+x)^2}\dx= ∫ 0 + ∞ ( 1 + x ) 2 ln ( 1 + x ) d x = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 分部。 原式 = − ln ( 1 + x ) 1 + x ∣ 0 + ∞ + ∫ 0 + ∞ d x ( 1 + x ) 2 =-\dfrac{\ln(1+x)}{1+x}\Big|_0^{+\infty}+\int_0^{+\infty}\dfrac{\dx}{(1+x)^2} = − 1 + x ln ( 1 + x ) 0 + ∞ + ∫ 0 + ∞ ( 1 + x ) 2 d x 。
“对”排在“幂”前面,ln ( 1 + x ) \ln(1+x) ln ( 1 + x ) 当 u u u ,求导后变成有理函数 1 1 + x \frac1{1+x} 1 + x 1 。
② 算。 边界项 0 − 0 = 0 0-0=0 0 − 0 = 0 ;∫ 0 + ∞ d x ( 1 + x ) 2 = − 1 1 + x ∣ 0 + ∞ = 1 \int_0^{+\infty}\dfrac{\dx}{(1+x)^2}=-\dfrac1{1+x}\Big|_0^{+\infty}=1 ∫ 0 + ∞ ( 1 + x ) 2 d x = − 1 + x 1 0 + ∞ = 1 。
另一种算法:换元 t = ln ( 1 + x ) t=\ln(1+x) t = ln ( 1 + x ) 后被积函数变成 t e − t t\e^{-t} t e − t ,这就是 Γ 函数 Γ ( 2 ) = 1 ! = 1 \Gamma(2)=1!=1 Γ ( 2 ) = 1 ! = 1 。
答案:1
例 6.23 李林 第六章 §4 例 5 · p154—155
计算:(1)
∫ 1 / 2 3 / 2 d x ∣ x − x 2 ∣ \int_{1/2}^{3/2}\dfrac{\dx}{\sqrt{|x-x^2|}} ∫ 1/2 3/2 ∣ x − x 2 ∣ d x ;(2)
∫ 1 + ∞ d x x x − 1 \int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x\sqrt{x-1}} ∫ 1 + ∞ x x − 1 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 瑕点 x = 1 x=1 x = 1 在区间内部。 ∫ 1 / 2 1 d x x − x 2 = arcsin ( 2 x − 1 ) ∣ 1 / 2 1 = π 2 \int_{1/2}^1\dfrac{\dx}{\sqrt{x-x^2}}=\arcsin(2x-1)\Big|_{1/2}^1=\dfrac\pi2 ∫ 1/2 1 x − x 2 d x = arcsin ( 2 x − 1 ) 1/2 1 = 2 π 。
x − x 2 = 1 4 − ( x − 1 2 ) 2 x-x^2=\frac14-(x-\frac12)^2 x − x 2 = 4 1 − ( x − 2 1 ) 2 ,配方后是 arcsin 型。
② (1) 另一段。 ∫ 1 3 / 2 d x x 2 − x = ln ( x − 1 2 + x 2 − x ) ∣ 1 3 / 2 = ln ( 1 + 3 2 ) − ln 1 2 = ln ( 2 + 3 ) \int_1^{3/2}\dfrac{\dx}{\sqrt{x^2-x}}=\ln\Big(x-\dfrac12+\sqrt{x^2-x}\Big)\Big|_1^{3/2}=\ln\Big(1+\dfrac{\sqrt3}2\Big)-\ln\dfrac12=\ln(2+\sqrt3) ∫ 1 3/2 x 2 − x d x = ln ( x − 2 1 + x 2 − x ) 1 3/2 = ln ( 1 + 2 3 ) − ln 2 1 = ln ( 2 + 3 ) 。合计 π 2 + ln ( 2 + 3 ) \dfrac\pi2+\ln(2+\sqrt3) 2 π + ln ( 2 + 3 ) 。
根号里 x 2 − x x^2-x x 2 − x 配方成 ( x − 1 2 ) 2 − 1 4 \big(x-\frac12\big)^2-\frac14 ( x − 2 1 ) 2 − 4 1 ,是 1 u 2 − a 2 \frac1{\sqrt{u^2-a^2}} u 2 − a 2 1 型,用积分表第 12 条。
③ (2) 两个问题点。 令 t = x − 1 t=\sqrt{x-1} t = x − 1 ,x = 1 + t 2 x=1+t^2 x = 1 + t 2 :原式 = ∫ 0 + ∞ 2 t d t ( 1 + t 2 ) t = 2 arctan t ∣ 0 + ∞ = π =\int_0^{+\infty}\dfrac{2t\dt}{(1+t^2)t}=2\arctan t\Big|_0^{+\infty}=\pi = ∫ 0 + ∞ ( 1 + t 2 ) t 2 t d t = 2 arctan t 0 + ∞ = π 。
瑕点 1 和无穷远一起处理:换元后瑕点消失,只剩无穷限。
答案:(1) π 2 + ln ( 2 + 3 ) \frac\pi2+\ln(2+\sqrt3) 2 π + ln ( 2 + 3 ) ;(2) π \pi π
6.5 含参数的反常积分、Γ 函数
大白话:题目给出反常积分的值,反过来求参数;或者积分值是参数的函数,求它的最值 。做法仍是“先算积分,再解方程或求导”,但要记得检查:解出来的参数必须让积分真的收敛(分母在区间里不能有零点)。另外,∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \int_0^{+\infty}x^n\e^{-x}\dx=n! ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! (Γ 函数)很常用。
x y O n =0:面积 1n =1:面积 1n =2:面积 2n =3:面积 62 5 10 y = x n e − x y=x^n\e^{-x} y = x n e − x 在 [ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 下的面积是 n ! n! n ! :Γ ( n + 1 ) = ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \Gamma(n+1)=\int_0^{+\infty}x^n\e^{-x}\dx=n! Γ ( n + 1 ) = ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! 。
Γ 函数(李林 p152)
Γ ( α ) = ∫ 0 + ∞ x α − 1 e − x d x ( α > 0 ) , \displaystyle \Gamma(\alpha)=\int_0^{+\infty}x^{\alpha-1}\e^{-x}\dx\ (\alpha>0), Γ ( α ) = ∫ 0 + ∞ x α − 1 e − x d x ( α > 0 ) , Γ ( α + 1 ) = α Γ ( α ) , \displaystyle \Gamma(\alpha+1)=\alpha\Gamma(\alpha), Γ ( α + 1 ) = α Γ ( α ) , Γ ( n + 1 ) = n ! , \displaystyle \Gamma(n+1)=n!, Γ ( n + 1 ) = n ! , Γ ( 1 2 ) = π . \displaystyle \Gamma\Big(\frac12\Big)=\sqrt\pi. Γ ( 2 1 ) = π .
由 Γ ( 1 2 ) = π \Gamma(\frac12)=\sqrt\pi Γ ( 2 1 ) = π 可得 ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = π 2 \int_0^{+\infty}\e^{-x^2}\dx=\frac{\sqrt\pi}2 ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = 2 π (令 x 2 = t x^2=t x 2 = t )。这两个结果概率论里天天用。
方法卡 · 由积分值定参数
什么时候用
“已知
∫ ⋯ = c \int\cdots=c ∫ ⋯ = c ,求参数”;“
f ( α ) = ∫ ⋯ f(\alpha)=\int\cdots f ( α ) = ∫ ⋯ ,求最值”;“某个极限等于某个积分,求参数”。
步骤
先写出收敛的条件(参数范围)。
算出积分(含参数)。
列方程或求导,解出参数。
检验解是否满足收敛条件,舍去不满足的。
最容易错
解
ln ∣ 2 + a ∣ 2 = ln 2 \ln\frac{|2+a|}2=\ln2 ln 2 ∣2 + a ∣ = ln 2 得到两个根,没检查
a = − 6 a=-6 a = − 6 时
2 x + a 2x+a 2 x + a 在
x = 3 x=3 x = 3 处为 0、积分发散。
例 6.24 2025 数二(11) 李林 第六章 §4 例 8 · p155—156
设
∫ 1 + ∞ a x ( 2 x + a ) d x = ln 2 \int_1^{+\infty}\dfrac a{x(2x+a)}\dx=\ln2 ∫ 1 + ∞ x ( 2 x + a ) a d x = ln 2 ,则
a = a= a = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 拆项积分。 a x ( 2 x + a ) = 1 x − 2 2 x + a \dfrac a{x(2x+a)}=\dfrac1x-\dfrac2{2x+a} x ( 2 x + a ) a = x 1 − 2 x + a 2 ,原函数 ln ∣ x 2 x + a ∣ \ln\left|\dfrac x{2x+a}\right| ln 2 x + a x 。
拆完要通分验算:1 x − 2 2 x + a = ( 2 x + a ) − 2 x x ( 2 x + a ) = a x ( 2 x + a ) \frac1x-\frac2{2x+a}=\frac{(2x+a)-2x}{x(2x+a)}=\frac a{x(2x+a)} x 1 − 2 x + a 2 = x ( 2 x + a ) ( 2 x + a ) − 2 x = x ( 2 x + a ) a ,和原被积函数相同。
② 代极限。 x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 ln x 2 x + a → ln 1 2 \ln\frac x{2x+a}\to\ln\frac12 ln 2 x + a x → ln 2 1 ,所以积分 = ln 1 2 − ln 1 ∣ 2 + a ∣ = ln ∣ 2 + a ∣ 2 = ln 2 =\ln\dfrac12-\ln\dfrac1{|2+a|}=\ln\dfrac{|2+a|}2=\ln2 = ln 2 1 − ln ∣2 + a ∣ 1 = ln 2 ∣2 + a ∣ = ln 2 ,∣ 2 + a ∣ = 4 |2+a|=4 ∣2 + a ∣ = 4 ,a = 2 a=2 a = 2 或 a = − 6 a=-6 a = − 6 。
这一步是在“积分收敛”的前提下算的;解出两个 a a a 以后,还要回去检查哪个 a a a 真的让积分收敛(下一步)。
③ 检验。 a = − 6 a=-6 a = − 6 时 2 x − 6 2x-6 2 x − 6 在 x = 3 ∈ [ 1 , + ∞ ) x=3\in[1,+\infty) x = 3 ∈ [ 1 , + ∞ ) 处为 0,x = 3 x=3 x = 3 是瑕点,∫ d x x − 3 \int\frac{\dx}{x-3} ∫ x − 3 d x 型发散,舍去。所以 a = 2 a=2 a = 2 。
定参数题最后一定要回头检查收敛性。
答案:2
例 6.25 2023 数二(6)
若函数
f ( α ) = ∫ 2 + ∞ d x x ( ln x ) α + 1 f(\alpha)=\int_2^{+\infty}\dfrac{\dx}{x(\ln x)^{\alpha+1}} f ( α ) = ∫ 2 + ∞ x ( ln x ) α + 1 d x 在
α = α 0 \alpha=\alpha_0 α = α 0 处取得最小值,则
α 0 = \alpha_0= α 0 = ( )
(A)
− 1 ln ( ln 2 ) -\dfrac1{\ln(\ln2)} − ln ( ln 2 ) 1 (B)
− ln ( ln 2 ) -\ln(\ln2) − ln ( ln 2 ) (C)
1 ln 2 \dfrac1{\ln2} ln 2 1 (D)
ln 2 \ln2 ln 2
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 收敛条件与积分值。 对数型,α + 1 > 1 \alpha+1>1 α + 1 > 1 即 α > 0 \alpha>0 α > 0 时收敛:f ( α ) = − ( ln x ) − α α ∣ 2 + ∞ = ( ln 2 ) − α α f(\alpha)=-\dfrac{(\ln x)^{-\alpha}}\alpha\Big|_2^{+\infty}=\dfrac{(\ln2)^{-\alpha}}\alpha f ( α ) = − α ( ln x ) − α 2 + ∞ = α ( ln 2 ) − α 。
令 u = ln x u=\ln x u = ln x , d x x = d u \frac{\dx}x=\du x d x = d u ,被积函数变成 u − ( α + 1 ) u^{-(\alpha+1)} u − ( α + 1 ) ,就是 p = α + 1 p=\alpha+1 p = α + 1 的 p p p 积分。
② 求最小值。 ln f = − α ln ( ln 2 ) − ln α \ln f=-\alpha\ln(\ln2)-\ln\alpha ln f = − α ln ( ln 2 ) − ln α ,求导:− ln ( ln 2 ) − 1 α = 0 -\ln(\ln2)-\dfrac1\alpha=0 − ln ( ln 2 ) − α 1 = 0 ,α 0 = − 1 ln ( ln 2 ) \alpha_0=-\dfrac1{\ln(\ln2)} α 0 = − ln ( ln 2 ) 1 。
取对数再求导更简单;ln 2 < 1 \ln2<1 ln 2 < 1 ,ln ( ln 2 ) < 0 \ln(\ln2)<0 ln ( ln 2 ) < 0 ,所以 α 0 > 0 \alpha_0>0 α 0 > 0 ,在收敛范围内。
③ 确认是最小值。 α → 0 + \alpha\to0^+ α → 0 + 时 f → + ∞ f\to+\infty f → + ∞ ,α → + ∞ \alpha\to+\infty α → + ∞ 时 f → + ∞ f\to+\infty f → + ∞ (( ln 2 ) − α (\ln2)^{-\alpha} ( ln 2 ) − α 指数增长),唯一驻点就是最小值点。所以选(A)。
两端趋于无穷,中间唯一驻点。
答案:A
例 6.26 李林 第六章 §4 例 6、例 7 · p155
(1)设
f ( x ) = 1 1 + x 2 − e − x 1 + e x ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x f(x)=\dfrac1{1+x^2}-\dfrac{\e^{-x}}{1+\e^x}\int_0^{+\infty}f(x)\dx f ( x ) = 1 + x 2 1 − 1 + e x e − x ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x ,求
∫ 0 + ∞ f ( x ) d x \int_0^{+\infty}f(x)\dx ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x 。(2)已知
∫ 1 + ∞ ( 2 x 2 + a x + b 2 x 2 + b x − 1 ) d x = 1 \int_1^{+\infty}\Big(\dfrac{2x^2+ax+b}{2x^2+bx}-1\Big)\dx=1 ∫ 1 + ∞ ( 2 x 2 + b x 2 x 2 + a x + b − 1 ) d x = 1 ,求
a , b a,b a , b 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 设常数、两边积分。 记 A = ∫ 0 + ∞ f d x A=\int_0^{+\infty}f\dx A = ∫ 0 + ∞ f d x ,则 A = π 2 − A ∫ 0 + ∞ e − x 1 + e x d x A=\dfrac\pi2-A\int_0^{+\infty}\dfrac{\e^{-x}}{1+\e^x}\dx A = 2 π − A ∫ 0 + ∞ 1 + e x e − x d x 。
和 例 4.22 一样:定积分是常数,先设出来。
② (1) 算那个积分。 令 t = e x t=\e^x t = e x :∫ 1 + ∞ d t t 2 ( 1 + t ) = ∫ 1 + ∞ ( 1 t 2 − 1 t + 1 1 + t ) d t = [ − 1 t + ln 1 + t t ] 1 + ∞ = 1 − ln 2 \int_1^{+\infty}\dfrac{\dt}{t^2(1+t)}=\int_1^{+\infty}\Big(\dfrac1{t^2}-\dfrac1t+\dfrac1{1+t}\Big)\dt=\Big[-\dfrac1t+\ln\dfrac{1+t}t\Big]_1^{+\infty}=1-\ln2 ∫ 1 + ∞ t 2 ( 1 + t ) d t = ∫ 1 + ∞ ( t 2 1 − t 1 + 1 + t 1 ) d t = [ − t 1 + ln t 1 + t ] 1 + ∞ = 1 − ln 2 。
d x = d t t \dx=\frac{\dt}t d x = t d t ,e − x = 1 t \e^{-x}=\frac1t e − x = t 1 ;部分分式后两个对数合并再取极限。
③ (1) 解方程。 A ( 2 − ln 2 ) = π 2 A(2-\ln2)=\dfrac\pi2 A ( 2 − ln 2 ) = 2 π ,A = π 2 ( 2 − ln 2 ) A=\dfrac\pi{2(2-\ln2)} A = 2 ( 2 − ln 2 ) π 。
把 A A A 看成未知数,这是一个一次方程。
④ (2) 先由收敛定出 a = b a=b a = b 。 被积函数 = ( a − b ) x + b x ( 2 x + b ) =\dfrac{(a-b)x+b}{x(2x+b)} = x ( 2 x + b ) ( a − b ) x + b ,x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 ∼ a − b 2 x \sim\dfrac{a-b}{2x} ∼ 2 x a − b ;若 a ≠ b a\ne b a = b 发散,所以 a = b a=b a = b 。
“积分收敛”这句话本身就给出一个方程:无穷远处被积函数像 a − b 2 x \frac{a-b}{2x} 2 x a − b ,这是 p = 1 p=1 p = 1 的尺子,发散,只有系数 a − b = 0 a-b=0 a − b = 0 才可能收敛。
⑤ (2) 算积分。 ∫ 1 + ∞ b x ( 2 x + b ) d x = ln 2 + b 2 = 1 \int_1^{+\infty}\dfrac b{x(2x+b)}\dx=\ln\dfrac{2+b}2=1 ∫ 1 + ∞ x ( 2 x + b ) b d x = ln 2 2 + b = 1 (形式同 2025 数二(11)),b = 2 e − 2 b=2\e-2 b = 2 e − 2 ,所以 a = b = 2 ( e − 1 ) a=b=2(\e-1) a = b = 2 ( e − 1 ) 。
b = 2 ( e − 1 ) > 0 b=2(\e-1)>0 b = 2 ( e − 1 ) > 0 ,2 x + b 2x+b 2 x + b 在 [ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [ 1 , + ∞ ) 上无零点,收敛。
答案:(1) π 2 ( 2 − ln 2 ) \frac\pi{2(2-\ln2)} 2 ( 2 − l n 2 ) π ;(2) a = b = 2 ( e − 1 ) a=b=2(\e-1) a = b = 2 ( e − 1 )
例 6.27 李林 第六章 §4 例 1、例 2、提要 · p152—153
(1)已知
lim x → ∞ ( 1 + x x ) a x = ∫ − ∞ a t e t d t \lim\limits_{x\to\infty}\Big(\dfrac{1+x}x\Big)^{ax}=\int_{-\infty}^at\e^t\dt x → ∞ lim ( x 1 + x ) a x = ∫ − ∞ a t e t d t ,求
a a a 。(2)已知
∫ 0 + ∞ sin x x d x = π 2 \int_0^{+\infty}\dfrac{\sin x}x\dx=\dfrac\pi2 ∫ 0 + ∞ x sin x d x = 2 π ,求
∫ 0 + ∞ sin 2 x x 2 d x \int_0^{+\infty}\dfrac{\sin^2x}{x^2}\dx ∫ 0 + ∞ x 2 sin 2 x d x 。(3)计算
∫ 0 + ∞ x 3 e − x d x \int_0^{+\infty}x^3\e^{-x}\dx ∫ 0 + ∞ x 3 e − x d x 与
∫ 0 + ∞ e − x 2 d x \int_0^{+\infty}\e^{-x^2}\dx ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 两边分别算。 左边 = e a =\e^a = e a ;右边 = ( t − 1 ) e t ∣ − ∞ a = ( a − 1 ) e a =(t-1)\e^t\Big|_{-\infty}^a=(a-1)\e^a = ( t − 1 ) e t − ∞ a = ( a − 1 ) e a 。所以 a − 1 = 1 a-1=1 a − 1 = 1 ,a = 2 a=2 a = 2 。
下限是 − ∞ -\infty − ∞ ,要取极限:t → − ∞ t\to-\infty t → − ∞ 时 e t \e^t e t 趋于 0 比 t t t 趋于无穷快,所以 ( t − 1 ) e t → 0 (t-1)\e^t\to0 ( t − 1 ) e t → 0 。
② (2) 分部,把 1 x 2 \frac1{x^2} x 2 1 降成 1 x \frac1x x 1 。 ∫ 0 + ∞ sin 2 x d ( − 1 x ) = − sin 2 x x ∣ 0 + ∞ + ∫ 0 + ∞ sin 2 x x d x = 0 + ∫ 0 + ∞ sin u u d u = π 2 \int_0^{+\infty}\sin^2x\,\dd\Big(-\dfrac1x\Big)=-\dfrac{\sin^2x}x\Big|_0^{+\infty}+\int_0^{+\infty}\dfrac{\sin2x}x\dx=0+\int_0^{+\infty}\dfrac{\sin u}u\du=\dfrac\pi2 ∫ 0 + ∞ sin 2 x d ( − x 1 ) = − x sin 2 x 0 + ∞ + ∫ 0 + ∞ x sin 2 x d x = 0 + ∫ 0 + ∞ u sin u d u = 2 π 。
边界项两端都是 0;∫ 0 + ∞ sin 2 x x d x \int_0^{+\infty}\frac{\sin2x}x\dx ∫ 0 + ∞ x s i n 2 x d x 令 u = 2 x u=2x u = 2 x 回到已知积分。
③ (3) Γ 函数。 ∫ 0 + ∞ x 3 e − x d x = Γ ( 4 ) = 3 ! = 6 \int_0^{+\infty}x^3\e^{-x}\dx=\Gamma(4)=3!=6 ∫ 0 + ∞ x 3 e − x d x = Γ ( 4 ) = 3 ! = 6 ;令 x 2 = t x^2=t x 2 = t :∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = 1 2 ∫ 0 + ∞ t − 1 2 e − t d t = 1 2 Γ ( 1 2 ) = π 2 \int_0^{+\infty}\e^{-x^2}\dx=\dfrac12\int_0^{+\infty}t^{-\frac12}\e^{-t}\dt=\dfrac12\Gamma\Big(\dfrac12\Big)=\dfrac{\sqrt\pi}2 ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = 2 1 ∫ 0 + ∞ t − 2 1 e − t d t = 2 1 Γ ( 2 1 ) = 2 π 。
令 x 2 = t x^2=t x 2 = t (x > 0 x>0 x > 0 ):x = t x=\sqrt t x = t , d x = d t 2 t \dx=\frac{\dt}{2\sqrt t} d x = 2 t d t ,被积函数变成 1 2 t − 1 2 e − t \frac12t^{-\frac12}\e^{-t} 2 1 t − 2 1 e − t ,正好是 1 2 Γ ( 1 2 ) \frac12\Gamma\big(\frac12\big) 2 1 Γ ( 2 1 ) 。
答案:(1) a = 2 a=2 a = 2 ;(2) π 2 \frac\pi2 2 π ;(3) 6,π 2 \frac{\sqrt\pi}2 2 π
6.6 小结
题目里的说法 换成什么 例子
积分限有 ∞ \infty ∞ 、被积函数无界 找全部问题点,拆段,每段一个 例 6.1
∫ − ∞ + ∞ \int_{-\infty}^{+\infty} ∫ − ∞ + ∞ 奇函数不能直接说是 0,两段都收敛才行 例 6.1
“哪个收敛/发散” 主项 c x p \frac c{x^p} x p c :无穷远 p > 1 p>1 p > 1 、瑕点 p < 1 p<1 p < 1 收敛 例 6.3 、例 6.4
1 x ln p x \frac1{x\ln^px} x l n p x 1 、ln x \ln x ln x 对数型 p > 1 p>1 p > 1 收敛;ln \ln ln 的次方在瑕点都可积 例 6.5 、例 6.6
收敛时参数的范围 每个问题点一个不等式,取交集 例 6.7 、例 6.8 、例 6.10
ln x \ln x ln x 在 x = 1 x=1 x = 1 与分母的瑕点ln x ∼ x − 1 \ln x\sim x-1 ln x ∼ x − 1 ,抵消一阶例 6.9
e 1 / x \e^{1/x} e 1/ x 在 0 ± 0^\pm 0 ± 左侧 → 0 \to0 → 0 收敛,右侧 → ∞ \to\infty → ∞ 发散 例 6.11
命题判断 收敛 ⇏ \not\Rightarrow ⇒ 比某个 1 x p \frac1{x^p} x p 1 (p > 1 p>1 p > 1 )小;反例 1 x ln 2 x \frac1{x\ln^2x} x l n 2 x 1 例 6.12
ln x ( 1 + x ) 2 \frac{\ln x}{(1+x)^2} ( 1 + x ) 2 l n x 、ln ( 1 + x ) x 2 \frac{\ln(1+x)}{x^2} x 2 l n ( 1 + x ) 分部模子:ln \ln ln 当 u u u 例 6.14 、例 6.16
1 二次式 \frac1{\text{二次式}} 二次式 1 有理模子:配方 arctan 或拆项 ln(先合并再取极限) 例 6.15 、例 6.18
绝对值里有零点 零点是瑕点,拆开 例 6.20 、例 6.23
已知积分值定参数 算积分、解方程、检查收敛 例 6.24 、例 6.26
积分值是参数的函数求最值 取对数求导 例 6.25
∫ 0 + ∞ x n e − x \int_0^{+\infty}x^n\e^{-x} ∫ 0 + ∞ x n e − x 、∫ 0 + ∞ e − x 2 \int_0^{+\infty}\e^{-x^2} ∫ 0 + ∞ e − x 2 Γ 函数:n ! n! n ! ,π 2 \frac{\sqrt\pi}2 2 π 例 6.27
学完了,标记这一部分
第 7 部分
定积分的应用
定积分最直接的用处:把“很多小块加起来”。这一部分用同一个微元法,求面积、体积、弧长、侧面积、截面体积,以及功、水压力、引力和质心。
考试要求(大纲原文,李林讲义第六章第 7—10 条)
掌握用定积分表达和计算一些几何量与物理量。
会求平面图形的面积、旋转体的体积和函数的平均值。
(仅数学一、数学二要求)会求平面曲线的弧长、旋转体的侧面积、平行截面面积为已知的立体体积。
(仅数学一、数学二要求)会求功、引力、压力、质心坐标、形心等。
对应李林讲义第六章第五节“定积分的应用”(p156—162)。数一 17 年里只在 2011(9) 考过一道弧长,但大纲要求一样不少,数二几乎每年都有一道面积或体积的解答题,所以这一部分主要用数二、数三的真题练。
7.1 微元法:先写一小块,再加起来
大白话:所有应用题都是同一个套路:把要求的量 Q Q Q 切成很多小块;在 [ x , x + d x ] [x,x+\dd x] [ x , x + d x ] 上把这一小块“当成均匀的、直的”,写出它的近似值 d Q = f ( x ) d x \dd Q=f(x)\dx d Q = f ( x ) d x ;然后 Q = ∫ a b f ( x ) d x Q=\int_a^bf(x)\dx Q = ∫ a b f ( x ) d x 。面积是“高 × 宽”,体积是“截面积 × 厚”,功是“力 × 距离”,质量是“密度 × 长度”。
x y O y =f (x )dA =f (x )dx dx a b x 在 [ x , x + d x ] [x,x+\dd x] [ x , x + d x ] 上把曲边窄条当成矩形:d A = f ( x ) d x \dd A=f(x)\dx d A = f ( x ) d x ;积分就是把所有窄条加起来。
微元法三步(李林 p156)
选变量、定范围 :对谁切片(x x x 、y y y 、θ \theta θ 、t t t ),从几到几。
写微元 :在小区间上“以直代曲、以常代变”,写出 d Q = f ( x ) d x \dd Q=f(x)\dx d Q = f ( x ) d x 。
积分 :Q = ∫ a b f ( x ) d x Q=\int_a^bf(x)\dx Q = ∫ a b f ( x ) d x 。
微元只需准确到 d x \dd x d x 的一阶;比 d x \dd x d x 高阶的部分(如窄条顶上的小三角)加起来趋于 0,可以不管。
方法卡 · 应用题的起手式
什么时候用
任何“求面积、体积、弧长、功、压力、质量、质心”的题。
步骤
画图,选坐标系(让边界方程最简单)。
决定切片方向:竖着切(对 x x x 积分)还是横着切(对 y y y 积分),选边界不需要分段的那个方向。
写出一片的微元,积分。
最容易错
切片方向选得不好,边界要分段、多算好几个积分;把“到轴的距离”写错(绕
x = e x=e x = e 旋转时半径是
e − x e-x e − x ,不是
x x x )。
例 7.1 基础
用微元法写出并计算:(1)半径为
R R R 的圆面积(用圆环切片);(2)
[ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 上线密度
ρ ( x ) = 1 + x \rho(x)=1+x ρ ( x ) = 1 + x 的细棒的质量;(3)以速度
v ( t ) = 3 t 2 v(t)=3t^2 v ( t ) = 3 t 2 运动的物体在
[ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 内走的路程。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 圆环切片。 半径 r r r 到 r + d r r+\dd r r + d r 的圆环,拉直后近似成长 2 π r 2\pi r 2 π r 、宽 d r \dd r d r 的长条:d A = 2 π r d r \dd A=2\pi r\dd r d A = 2 π r d r ,A = ∫ 0 R 2 π r d r = π R 2 A=\int_0^R2\pi r\dd r=\pi R^2 A = ∫ 0 R 2 π r d r = π R 2 。
切片不一定是竖条,按图形的形状选最方便的切法。
② (2) 小段的质量 = 密度 × 长度。 d m = ( 1 + x ) d x \dd m=(1+x)\dx d m = ( 1 + x ) d x ,m = ∫ 0 2 ( 1 + x ) d x = 4 m=\int_0^2(1+x)\dx=4 m = ∫ 0 2 ( 1 + x ) d x = 4 。
小段上把密度当成常数。
③ (3) 小段时间的路程 = 速度 × 时间。 d s = 3 t 2 d t \dd s=3t^2\dt d s = 3 t 2 d t ,s = ∫ 0 2 3 t 2 d t = 8 s=\int_0^23t^2\dt=8 s = ∫ 0 2 3 t 2 d t = 8 。
和 3.6 节的路程题一样。
答案:(1) π R 2 \pi R^2 π R 2 ;(2) 4;(3) 8
7.2 平面图形的面积:直角坐标、参数方程、极坐标
大白话:面积 = ∫(上边界 − 下边界)dx x x ,或 ∫(右边界 − 左边界)dy y y 。曲线用参数方程给出时,把 x x x 、y y y 都换成参数 t t t ;用极坐标给出时,切成很多小扇形,每个面积 1 2 r 2 d θ \frac12r^2\dd\theta 2 1 r 2 d θ 。
x y O (0,1) A (e²,2)B (1,0)L :y =ln x D 切线 y =1+x /e² 2012 数二(17):区域 D D D 是曲线 y = ln x y=\ln x y = ln x 与弦 A B AB A B 之间的弓形;横着切(对 y y y 积分)不用分段。
面积公式(李林 p157)
直角坐标:A = ∫ a b [ f 上 ( x ) − f 下 ( x ) ] d x A=\int_a^b\big[f_上(x)-f_下(x)\big]\dx A = ∫ a b [ f 上 ( x ) − f 下 ( x ) ] d x ,或 A = ∫ c d [ φ 右 ( y ) − φ 左 ( y ) ] d y A=\int_c^d\big[\varphi_右(y)-\varphi_左(y)\big]\dy A = ∫ c d [ φ 右 ( y ) − φ 左 ( y ) ] d y 。
参数方程 x = x ( t ) x=x(t) x = x ( t ) ,y = y ( t ) ≥ 0 y=y(t)\ge0 y = y ( t ) ≥ 0 :A = ∫ α β y ( t ) x ′ ( t ) d t A=\int_\alpha^\beta y(t)\,x'(t)\dt A = ∫ α β y ( t ) x ′ ( t ) d t (t t t 从 α \alpha α 到 β \beta β 时 x x x 从左到右)。
极坐标 r = r ( θ ) r=r(\theta) r = r ( θ ) :A = 1 2 ∫ α β r 2 ( θ ) d θ A=\dfrac12\int_\alpha^\beta r^2(\theta)\dth A = 2 1 ∫ α β r 2 ( θ ) d θ 。
方法卡 · 求面积
什么时候用
题目给出几条曲线围成的区域,求面积(常与“求最值”“求体积”连在一起)。
步骤
求交点,画草图,看清楚谁在上、谁在右。
选切片方向:哪个方向边界不用分段就选哪个。
写积分;含参数的面积要求最值时,对参数求导。
最容易错
上下边界弄反(面积为负就说明反了);极坐标漏了
1 2 \frac12 2 1 ;参数方程的
t t t 走向与
x x x 相反时忘了调换上下限。
例 7.2 2012 数二(17)
过点
( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 作曲线
L : y = ln x L:y=\ln x L : y = ln x 的切线,切点为
A A A ,又
L L L 与
x x x 轴交于
B B B 点,区域
D D D 由
L L L 与直线
A B AB A B 围成。求区域
D D D 的面积及
D D D 绕
x x x 轴旋转一周所得旋转体的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求切点。 设切点 ( a , ln a ) (a,\ln a) ( a , ln a ) ,切线斜率 1 a \frac1a a 1 ,过 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) :ln a − 1 = 1 a ⋅ a = 1 \ln a-1=\frac1a\cdot a=1 ln a − 1 = a 1 ⋅ a = 1 ,a = e 2 a=\e^2 a = e 2 。A ( e 2 , 2 ) A(\e^2,2) A ( e 2 , 2 ) ,B ( 1 , 0 ) B(1,0) B ( 1 , 0 ) 。
切线方程 y − ln a = 1 a ( x − a ) y-\ln a=\frac1a(x-a) y − ln a = a 1 ( x − a ) ,代入 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 。
② 面积:横着切。 曲线 x = e y x=\e^y x = e y ,直线 A B AB A B :x = 1 + e 2 − 1 2 y x=1+\dfrac{\e^2-1}2y x = 1 + 2 e 2 − 1 y ,直线在右。A D = ∫ 0 2 [ 1 + e 2 − 1 2 y − e y ] d y = [ y + e 2 − 1 4 y 2 − e y ] 0 2 = 2 A_D=\int_0^2\Big[1+\dfrac{\e^2-1}2y-\e^y\Big]\dy=\Big[y+\dfrac{\e^2-1}4y^2-\e^y\Big]_0^2=2 A D = ∫ 0 2 [ 1 + 2 e 2 − 1 y − e y ] d y = [ y + 4 e 2 − 1 y 2 − e y ] 0 2 = 2 。
对 y y y 积分,右边界减左边界;竖着切也行,但要分别写曲线和直线。
③ 体积:大减小。 绕 x x x 轴:曲线下方的旋转体减去弦下方的圆锥。V = π ∫ 1 e 2 ln 2 x d x − 1 3 π ⋅ 2 2 ( e 2 − 1 ) = π ( 2 e 2 − 2 ) − 4 π 3 ( e 2 − 1 ) = 2 π 3 ( e 2 − 1 ) V=\pi\int_1^{\e^2}\ln^2x\dx-\dfrac13\pi\cdot2^2(\e^2-1)=\pi(2\e^2-2)-\dfrac{4\pi}3(\e^2-1)=\dfrac{2\pi}3(\e^2-1) V = π ∫ 1 e 2 ln 2 x d x − 3 1 π ⋅ 2 2 ( e 2 − 1 ) = π ( 2 e 2 − 2 ) − 3 4 π ( e 2 − 1 ) = 3 2 π ( e 2 − 1 ) 。
体积 = 曲线 y = ln x y=\ln x y = ln x 下方转出的旋转体 − 弦下方的三角形转出的圆锥。前者用分部积分算 ∫ 1 e 2 ln 2 x d x = 2 e 2 − 2 \int_1^{\e^2}\ln^2x\dx=2\e^2-2 ∫ 1 e 2 ln 2 x d x = 2 e 2 − 2 ,后者直接用圆锥公式 1 3 π r 2 h \frac13\pi r^2h 3 1 π r 2 h (r = 2 r=2 r = 2 ,h = e 2 − 1 h=\e^2-1 h = e 2 − 1 )。
答案:面积 2,体积 2 π 3 ( e 2 − 1 ) \frac{2\pi}3(\e^2-1) 3 2 π ( e 2 − 1 )
例 7.3 2023 数二(19)
已知平面区域
D = { ( x , y ) ∣ 0 ≤ y ≤ 1 x 1 + x 2 , x ≥ 1 } D=\Big\{(x,y)\Big|0\le y\le\dfrac1{x\sqrt{1+x^2}},\ x\ge1\Big\} D = { ( x , y ) 0 ≤ y ≤ x 1 + x 2 1 , x ≥ 1 } 。(Ⅰ)求
D D D 的面积;(Ⅱ)求
D D D 绕
x x x 轴旋转所成旋转体的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 面积是反常积分,倒代换。 A = ∫ 1 + ∞ d x x 1 + x 2 A=\int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x\sqrt{1+x^2}} A = ∫ 1 + ∞ x 1 + x 2 d x ,令 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 := ∫ 0 1 d t 1 + t 2 = ln ( t + 1 + t 2 ) ∣ 0 1 = ln ( 1 + 2 ) =\int_0^1\dfrac{\dt}{\sqrt{1+t^2}}=\ln\big(t+\sqrt{1+t^2}\big)\Big|_0^1=\ln(1+\sqrt2) = ∫ 0 1 1 + t 2 d t = ln ( t + 1 + t 2 ) 0 1 = ln ( 1 + 2 ) 。
分母次数高,倒代换(2.3 节);无界区域的面积就是反常积分。
② (Ⅱ) 圆盘法。 V = π ∫ 1 + ∞ d x x 2 ( 1 + x 2 ) = π ∫ 1 + ∞ ( 1 x 2 − 1 1 + x 2 ) d x = π ( 1 − π 4 ) V=\pi\int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x^2(1+x^2)}=\pi\int_1^{+\infty}\Big(\dfrac1{x^2}-\dfrac1{1+x^2}\Big)\dx=\pi\Big(1-\dfrac\pi4\Big) V = π ∫ 1 + ∞ x 2 ( 1 + x 2 ) d x = π ∫ 1 + ∞ ( x 2 1 − 1 + x 2 1 ) d x = π ( 1 − 4 π ) 。
y 2 = 1 x 2 ( 1 + x 2 ) y^2=\frac1{x^2(1+x^2)} y 2 = x 2 ( 1 + x 2 ) 1 ,拆项后两项都收敛。
答案:(Ⅰ) ln ( 1 + 2 ) \ln(1+\sqrt2) ln ( 1 + 2 ) ;(Ⅱ) π − π 2 4 \pi-\frac{\pi^2}4 π − 4 π 2
例 7.4 2024 数三(19)
设
t > 0 t>0 t > 0 ,平面有界区域
D D D 由曲线
y = x e − 2 x y=x\e^{-2x} y = x e − 2 x 与直线
x = t x=t x = t ,
x = 2 t x=2t x = 2 t 及
x x x 轴围成,
D D D 的面积为
S ( t ) S(t) S ( t ) ,求
S ( t ) S(t) S ( t ) 的最大值。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出 S ( t ) S(t) S ( t ) 并求导。 S ( t ) = ∫ t 2 t x e − 2 x d x S(t)=\int_t^{2t}x\e^{-2x}\dx S ( t ) = ∫ t 2 t x e − 2 x d x ,S ′ ( t ) = 2 t e − 4 t ⋅ 2 − t e − 2 t = t e − 2 t ( 4 e − 2 t − 1 ) S'(t)=2t\e^{-4t}\cdot2-t\e^{-2t}=t\e^{-2t}\big(4\e^{-2t}-1\big) S ′ ( t ) = 2 t e − 4 t ⋅ 2 − t e − 2 t = t e − 2 t ( 4 e − 2 t − 1 ) 。
上下限都含 t t t 的变限积分求导(5.1 节)。
② 驻点与单调性。 S ′ = 0 S'=0 S ′ = 0 得 e − 2 t = 1 4 \e^{-2t}=\frac14 e − 2 t = 4 1 ,t = ln 2 t=\ln2 t = ln 2 ;t < ln 2 t<\ln2 t < ln 2 时 S ′ > 0 S'>0 S ′ > 0 ,t > ln 2 t>\ln2 t > ln 2 时 S ′ < 0 S'<0 S ′ < 0 ,所以 t = ln 2 t=\ln2 t = ln 2 是最大值点。
只有一个驻点,并且左边增、右边减,所以它不只是极大值点,而且是整个 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) 上的最大值点。
③ 算最大值。 原函数 − ( x 2 + 1 4 ) e − 2 x -\Big(\dfrac x2+\dfrac14\Big)\e^{-2x} − ( 2 x + 4 1 ) e − 2 x ,S ( ln 2 ) = [ − ( x 2 + 1 4 ) e − 2 x ] ln 2 2 ln 2 = ln 2 16 + 3 64 S(\ln2)=\Big[-\Big(\dfrac x2+\dfrac14\Big)\e^{-2x}\Big]_{\ln2}^{2\ln2}=\dfrac{\ln2}{16}+\dfrac3{64} S ( ln 2 ) = [ − ( 2 x + 4 1 ) e − 2 x ] l n 2 2 l n 2 = 16 ln 2 + 64 3 。
代上下限要用 e − 2 ln 2 = ( e ln 2 ) − 2 = 2 − 2 = 1 4 \e^{-2\ln2}=\big(\e^{\ln2}\big)^{-2}=2^{-2}=\frac14 e − 2 l n 2 = ( e l n 2 ) − 2 = 2 − 2 = 4 1 和 e − 4 ln 2 = 2 − 4 = 1 16 \e^{-4\ln2}=2^{-4}=\frac1{16} e − 4 l n 2 = 2 − 4 = 16 1 。
答案:ln 2 16 + 3 64 \frac{\ln2}{16}+\frac3{64} 16 l n 2 + 64 3
例 7.5 2018 数二(20)
已知曲线
L : y = 4 9 x 2 L:y=\dfrac49x^2 L : y = 9 4 x 2 (
x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 ),点
O ( 0 , 0 ) O(0,0) O ( 0 , 0 ) ,点
A ( 0 , 1 ) A(0,1) A ( 0 , 1 ) 。设
P P P 是
L L L 上的动点,
S S S 是直线
O A OA O A 与直线
A P AP A P 及曲线
L L L 所围图形的面积。若
P P P 运动到点
( 3 , 4 ) (3,4) ( 3 , 4 ) 时沿
x x x 轴正向的速度是 4,求此时
S S S 关于时间
t t t 的变化率。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 把 S S S 写成 P P P 的横坐标 x x x 的函数。 P ( x , 4 9 x 2 ) P\big(x,\frac49x^2\big) P ( x , 9 4 x 2 ) ,直线 A P AP A P 在上、曲线在下:S ( x ) = ∫ 0 x [ 1 + ( 4 x 9 − 1 x ) u − 4 9 u 2 ] d u = x 2 + 2 x 3 27 S(x)=\int_0^x\Big[1+\Big(\dfrac{4x}9-\dfrac1x\Big)u-\dfrac49u^2\Big]\du=\dfrac x2+\dfrac{2x^3}{27} S ( x ) = ∫ 0 x [ 1 + ( 9 4 x − x 1 ) u − 9 4 u 2 ] d u = 2 x + 27 2 x 3 。
A P AP A P 的斜率 4 9 x 2 − 1 x \frac{\frac49x^2-1}x x 9 4 x 2 − 1 ;积分变量用 u u u ,x x x 是 P P P 的位置。
② 链式法则。 d S d t = S ′ ( x ) d x d t = ( 1 2 + 2 x 2 9 ) ⋅ 4 \dfrac{\dd S}{\dd t}=S'(x)\dfrac{\dd x}{\dd t}=\Big(\dfrac12+\dfrac{2x^2}9\Big)\cdot4 d t d S = S ′ ( x ) d t d x = ( 2 1 + 9 2 x 2 ) ⋅ 4 ,x = 3 x=3 x = 3 时 = ( 1 2 + 2 ) ⋅ 4 = 10 =\Big(\dfrac12+2\Big)\cdot4=10 = ( 2 1 + 2 ) ⋅ 4 = 10 。
变化率 = 对 x x x 的导数 × x x x 对时间的导数。
答案:10
例 7.6 2014 数二(20)
设函数
f ( x ) = x 1 + x f(x)=\dfrac x{1+x} f ( x ) = 1 + x x ,
x ∈ [ 0 , 1 ] x\in[0,1] x ∈ [ 0 , 1 ] 。定义函数列
f 1 ( x ) = f ( x ) f_1(x)=f(x) f 1 ( x ) = f ( x ) ,
f 2 ( x ) = f ( f 1 ( x ) ) f_2(x)=f(f_1(x)) f 2 ( x ) = f ( f 1 ( x )) ,…,
f n ( x ) = f ( f n − 1 ( x ) ) f_n(x)=f(f_{n-1}(x)) f n ( x ) = f ( f n − 1 ( x )) ,…。记
S n S_n S n 是由曲线
y = f n ( x ) y=f_n(x) y = f n ( x ) 、直线
x = 1 x=1 x = 1 及
x x x 轴所围平面图形的面积。求极限
lim n → ∞ n S n \lim\limits_{n\to\infty}nS_n n → ∞ lim n S n 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 找出 f n f_n f n 的规律。 f 2 = x 1 + x 1 + x 1 + x = x 1 + 2 x f_2=\dfrac{\frac x{1+x}}{1+\frac x{1+x}}=\dfrac x{1+2x} f 2 = 1 + 1 + x x 1 + x x = 1 + 2 x x ,归纳得 f n ( x ) = x 1 + n x f_n(x)=\dfrac x{1+nx} f n ( x ) = 1 + n x x 。
算两三个就能看出规律,再用归纳法验证:f ( x 1 + n x ) = x 1 + ( n + 1 ) x f\big(\frac x{1+nx}\big)=\frac x{1+(n+1)x} f ( 1 + n x x ) = 1 + ( n + 1 ) x x 。
② 求面积。 S n = ∫ 0 1 x 1 + n x d x = 1 n ∫ 0 1 ( 1 − 1 1 + n x ) d x = 1 n − ln ( 1 + n ) n 2 S_n=\int_0^1\dfrac x{1+nx}\dx=\dfrac1n\int_0^1\Big(1-\dfrac1{1+nx}\Big)\dx=\dfrac1n-\dfrac{\ln(1+n)}{n^2} S n = ∫ 0 1 1 + n x x d x = n 1 ∫ 0 1 ( 1 − 1 + n x 1 ) d x = n 1 − n 2 ln ( 1 + n ) 。
分子加一减一:n x 1 + n x = 1 − 1 1 + n x \frac{nx}{1+nx}=1-\frac1{1+nx} 1 + n x n x = 1 − 1 + n x 1 ,再除以 n n n 。
③ 求极限。 n S n = 1 − ln ( 1 + n ) n → 1 nS_n=1-\dfrac{\ln(1+n)}n\to1 n S n = 1 − n ln ( 1 + n ) → 1 。
ln ( 1 + n ) \ln(1+n) ln ( 1 + n ) 比 n n n 长得慢得多(洛必达:1 / ( 1 + x ) 1 → 0 \frac{1/(1+x)}1\to0 1 1/ ( 1 + x ) → 0 ),所以 ln ( 1 + n ) n → 0 \frac{\ln(1+n)}n\to0 n l n ( 1 + n ) → 0 。
答案:1
例 7.7 李林 第六章 §5 例 1、提要 · p157—159
(1)设
0 < k < 1 0<k<1 0 < k < 1 ,曲线
y = x 2 y=x^2 y = x 2 与直线
y = k x y=kx y = k x 围成
S 1 S_1 S 1 ,与直线
y = k x y=kx y = k x 、
x = 1 x=1 x = 1 围成
S 2 S_2 S 2 ,问
k k k 为何值时
S = S 1 + S 2 S=S_1+S_2 S = S 1 + S 2 最小,并求最小值。(2)求心形线
r = a ( 1 + cos θ ) r=a(1+\cos\theta) r = a ( 1 + cos θ ) 和摆线
x = a ( t − sin t ) x=a(t-\sin t) x = a ( t − sin t ) ,
y = a ( 1 − cos t ) y=a(1-\cos t) y = a ( 1 − cos t ) (
0 ≤ t ≤ 2 π 0\le t\le2\pi 0 ≤ t ≤ 2 π )一拱与
x x x 轴所围的面积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 写出 S ( k ) S(k) S ( k ) 。 交点 x = k x=k x = k 。S 1 = ∫ 0 k ( k x − x 2 ) d x = k 3 6 S_1=\int_0^k(kx-x^2)\dx=\dfrac{k^3}6 S 1 = ∫ 0 k ( k x − x 2 ) d x = 6 k 3 ,S 2 = ∫ k 1 ( x 2 − k x ) d x = 1 − k 3 3 − k ( 1 − k 2 ) 2 S_2=\int_k^1(x^2-kx)\dx=\dfrac{1-k^3}3-\dfrac{k(1-k^2)}2 S 2 = ∫ k 1 ( x 2 − k x ) d x = 3 1 − k 3 − 2 k ( 1 − k 2 ) ,S = k 3 3 − k 2 + 1 3 S=\dfrac{k^3}3-\dfrac k2+\dfrac13 S = 3 k 3 − 2 k + 3 1 。
两块区域上下关系相反,分开写。
② (1) 求最小值。 S ′ = k 2 − 1 2 = 0 S'=k^2-\dfrac12=0 S ′ = k 2 − 2 1 = 0 ,k = 2 2 k=\dfrac{\sqrt2}2 k = 2 2 ;S ′ ′ = 2 k > 0 S''=2k>0 S ′′ = 2 k > 0 ,是最小值 S = 1 3 − 2 6 S=\dfrac13-\dfrac{\sqrt2}6 S = 3 1 − 6 2 。
把 k = 2 2 k=\frac{\sqrt2}2 k = 2 2 代回 S ( k ) S(k) S ( k ) :k 3 = 2 4 k^3=\frac{\sqrt2}4 k 3 = 4 2 ,所以 k 3 3 − k 2 = 2 12 − 3 2 12 = − 2 6 \frac{k^3}3-\frac k2=\frac{\sqrt2}{12}-\frac{3\sqrt2}{12}=-\frac{\sqrt2}6 3 k 3 − 2 k = 12 2 − 12 3 2 = − 6 2 。
③ (2) 心形线:极坐标面积。 A = 1 2 ∫ 0 2 π a 2 ( 1 + cos θ ) 2 d θ = a 2 2 ( 2 π + 0 + π ) = 3 π a 2 2 A=\dfrac12\int_0^{2\pi}a^2(1+\cos\theta)^2\dth=\dfrac{a^2}2(2\pi+0+\pi)=\dfrac{3\pi a^2}2 A = 2 1 ∫ 0 2 π a 2 ( 1 + cos θ ) 2 d θ = 2 a 2 ( 2 π + 0 + π ) = 2 3 π a 2 。
把平方展开逐项积分:常数 1 积出 2 π 2\pi 2 π ;cos θ \cos\theta cos θ 在一个周期上积分为 0;cos 2 θ \cos^2\theta cos 2 θ 降幂后积出 π \pi π 。
④ (2) 摆线:参数方程面积。 A = ∫ 0 2 π y x ′ ( t ) d t = a 2 ∫ 0 2 π ( 1 − cos t ) 2 d t = a 2 ( 2 π + π ) = 3 π a 2 A=\int_0^{2\pi}y\,x'(t)\dt=a^2\int_0^{2\pi}(1-\cos t)^2\dt=a^2(2\pi+\pi)=3\pi a^2 A = ∫ 0 2 π y x ′ ( t ) d t = a 2 ∫ 0 2 π ( 1 − cos t ) 2 d t = a 2 ( 2 π + π ) = 3 π a 2 。
x ′ ( t ) = a ( 1 − cos t ) x'(t)=a(1-\cos t) x ′ ( t ) = a ( 1 − cos t ) ;t t t 从 0 到 2 π 2\pi 2 π 时 x x x 从左到右。
答案:(1) k = 2 2 k=\frac{\sqrt2}2 k = 2 2 ,S min = 1 3 − 2 6 S_{\min}=\frac13-\frac{\sqrt2}6 S m i n = 3 1 − 6 2 ;(2) 3 π a 2 2 \frac{3\pi a^2}2 2 3 π a 2 ,3 π a 2 3\pi a^2 3 π a 2
7.3 旋转体的体积:圆盘法与柱壳法
大白话:一根窄条绕 x x x 轴转一圈,是一张薄圆盘(或中间有洞的圆环),体积 π y 2 d x \pi y^2\dx π y 2 d x ;绕 y y y 轴转一圈,是一层薄薄的圆柱壳,把它剪开摊平近似成长方体:长 2 π x 2\pi x 2 π x 、高 y y y 、厚 d x \dx d x 。绕别的直线转时,半径换成“到那条直线的距离”。
圆盘 πf ²(x )dx x 绕 x 轴 柱壳 2πx f (x )dx y 绕 y 轴 同一根窄条:绕 x x x 轴转得圆盘 π f 2 ( x ) d x \pi f^2(x)\dx π f 2 ( x ) d x ,绕 y y y 轴转得柱壳 2 π x f ( x ) d x 2\pi xf(x)\dx 2 π x f ( x ) d x 。
体积公式(李林 p157)
绕 x x x 轴(圆盘、垫圈):V x = π ∫ a b [ y 上 2 ( x ) − y 下 2 ( x ) ] d x V_x=\pi\int_a^b\big[y_上^2(x)-y_下^2(x)\big]\dx V x = π ∫ a b [ y 上 2 ( x ) − y 下 2 ( x ) ] d x 。
绕 y y y 轴(柱壳):V y = 2 π ∫ a b x [ y 上 ( x ) − y 下 ( x ) ] d x V_y=2\pi\int_a^bx\big[y_上(x)-y_下(x)\big]\dx V y = 2 π ∫ a b x [ y 上 ( x ) − y 下 ( x ) ] d x (0 ≤ a < b 0\le a<b 0 ≤ a < b )。
绕直线 x = k x=k x = k :半径换成 ∣ x − k ∣ |x-k| ∣ x − k ∣ ;绕 y = k y=k y = k :用 π ∫ [ ( y 上 − k ) 2 − ( y 下 − k ) 2 ] \pi\int\big[(y_上-k)^2-(y_下-k)^2\big] π ∫ [ ( y 上 − k ) 2 − ( y 下 − k ) 2 ] 或横着切。
参数方程:把 x , y , d x x,y,\dx x , y , d x 都换成 t t t 。
方法卡 · 旋转体体积
步骤
画区域,标出旋转轴。
竖条(垂直于 x x x 轴)绕 x x x 轴 → 圆盘;竖条绕 y y y 轴 → 柱壳。横条同理对调。
半径永远是“到旋转轴的距离”。
含参数的体积方程或最值:先把体积写成参数的函数。
最容易错
垫圈写成
π ( y 上 − y 下 ) 2 \pi(y_上-y_下)^2 π ( y 上 − y 下 ) 2 (应是平方差);柱壳漏了
2 π 2\pi 2 π 或把高写成
x x x 。
例 7.8 2013 数二(16)
设
D D D 是由曲线
y = x 1 3 y=x^{\frac13} y = x 3 1 ,直线
x = a x=a x = a (
a > 0 a>0 a > 0 )及
x x x 轴所围成的平面图形,
V x , V y V_x,V_y V x , V y 分别是
D D D 绕
x x x 轴、
y y y 轴旋转一周所得旋转体的体积。若
V y = 10 V x V_y=10V_x V y = 10 V x ,求
a a a 的值。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 两个体积。 V x = π ∫ 0 a x 2 3 d x = 3 π 5 a 5 3 V_x=\pi\int_0^ax^{\frac23}\dx=\dfrac{3\pi}5a^{\frac53} V x = π ∫ 0 a x 3 2 d x = 5 3 π a 3 5 ;V y = 2 π ∫ 0 a x ⋅ x 1 3 d x = 6 π 7 a 7 3 V_y=2\pi\int_0^ax\cdot x^{\frac13}\dx=\dfrac{6\pi}7a^{\frac73} V y = 2 π ∫ 0 a x ⋅ x 3 1 d x = 7 6 π a 3 7 。
绕 x x x 轴用圆盘,绕 y y y 轴用柱壳(半径 x x x 、高 x 1 / 3 x^{1/3} x 1/3 )。
② 列方程。 6 π 7 a 7 3 = 10 ⋅ 3 π 5 a 5 3 \dfrac{6\pi}7a^{\frac73}=10\cdot\dfrac{3\pi}5a^{\frac53} 7 6 π a 3 7 = 10 ⋅ 5 3 π a 3 5 ,a 2 3 = 7 a^{\frac23}=7 a 3 2 = 7 ,a = 7 7 a=7\sqrt7 a = 7 7 。
两边都有 a 5 3 a^{\frac53} a 3 5 (a > 0 a>0 a > 0 ),约掉后剩 a 2 3 = 7 a^{\frac23}=7 a 3 2 = 7 ,两边同时 3 2 \frac32 2 3 次方得 a = 7 3 2 = 7 7 a=7^{\frac32}=7\sqrt7 a = 7 2 3 = 7 7 。
答案:7 7 7\sqrt7 7 7
例 7.9 2015 数二(16)
设
A > 0 A>0 A > 0 ,
D D D 是由曲线段
y = A sin x y=A\sin x y = A sin x (
0 ≤ x ≤ π 2 0\le x\le\frac\pi2 0 ≤ x ≤ 2 π )及直线
y = 0 y=0 y = 0 ,
x = π 2 x=\frac\pi2 x = 2 π 所围成的平面区域,
V 1 , V 2 V_1,V_2 V 1 , V 2 分别表示
D D D 绕
x x x 轴与绕
y y y 轴旋转所成旋转体的体积。若
V 1 = V 2 V_1=V_2 V 1 = V 2 ,求
A A A 的值。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 两个体积。 V 1 = π ∫ 0 π / 2 A 2 sin 2 x d x = π 2 A 2 4 V_1=\pi\int_0^{\pi/2}A^2\sin^2x\dx=\dfrac{\pi^2A^2}4 V 1 = π ∫ 0 π /2 A 2 sin 2 x d x = 4 π 2 A 2 ;V 2 = 2 π ∫ 0 π / 2 x A sin x d x = 2 π A [ sin x − x cos x ] 0 π / 2 = 2 π A V_2=2\pi\int_0^{\pi/2}xA\sin x\dx=2\pi A\big[\sin x-x\cos x\big]_0^{\pi/2}=2\pi A V 2 = 2 π ∫ 0 π /2 x A sin x d x = 2 π A [ sin x − x cos x ] 0 π /2 = 2 π A 。
华里士 ∫ 0 π / 2 sin 2 x d x = π 4 \int_0^{\pi/2}\sin^2x\dx=\frac\pi4 ∫ 0 π /2 sin 2 x d x = 4 π ;柱壳里 x sin x x\sin x x sin x 分部积分。
② 解方程。 π 2 A 2 4 = 2 π A \dfrac{\pi^2A^2}4=2\pi A 4 π 2 A 2 = 2 π A ,A = 8 π A=\dfrac8\pi A = π 8 。
A > 0 A>0 A > 0 ,可以两边同除以 A A A ,得到 π 2 A 4 = 2 π \frac{\pi^2A}4=2\pi 4 π 2 A = 2 π 。
答案:8 π \frac8\pi π 8
例 7.10 2020 数三(12)
设平面区域
D = { ( x , y ) ∣ x 2 ≤ y ≤ 1 1 + x 2 , 0 ≤ x ≤ 1 } D=\Big\{(x,y)\Big|\dfrac x2\le y\le\dfrac1{1+x^2},\ 0\le x\le1\Big\} D = { ( x , y ) 2 x ≤ y ≤ 1 + x 2 1 , 0 ≤ x ≤ 1 } ,则
D D D 绕
y y y 轴旋转所成的旋转体的体积为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 柱壳法。 V = 2 π ∫ 0 1 x ( 1 1 + x 2 − x 2 ) d x V=2\pi\int_0^1x\Big(\dfrac1{1+x^2}-\dfrac x2\Big)\dx V = 2 π ∫ 0 1 x ( 1 + x 2 1 − 2 x ) d x 。
竖条绕 y y y 轴;若用圆盘要把边界反解成 x = x ( y ) x=x(y) x = x ( y ) 并分段,麻烦。
② 计算。 = 2 π [ 1 2 ln ( 1 + x 2 ) − x 3 6 ] 0 1 = 2 π ( ln 2 2 − 1 6 ) = π ln 2 − π 3 =2\pi\Big[\dfrac12\ln(1+x^2)-\dfrac{x^3}6\Big]_0^1=2\pi\Big(\dfrac{\ln2}2-\dfrac16\Big)=\pi\ln2-\dfrac\pi3 = 2 π [ 2 1 ln ( 1 + x 2 ) − 6 x 3 ] 0 1 = 2 π ( 2 ln 2 − 6 1 ) = π ln 2 − 3 π 。
x 1 + x 2 \frac x{1+x^2} 1 + x 2 x 的分子是分母导数的一半,积出 1 2 ln ( 1 + x 2 ) \frac12\ln(1+x^2) 2 1 ln ( 1 + x 2 ) ;x 2 2 \frac{x^2}2 2 x 2 积出 x 3 6 \frac{x^3}6 6 x 3 。
答案:π ln 2 − π 3 \pi\ln2-\frac\pi3 π ln 2 − 3 π
例 7.11 2021 数三(13)
设
D D D 由
y = x sin π x y=\sqrt x\sin\pi x y = x sin π x (
0 ≤ x ≤ 1 0\le x\le1 0 ≤ x ≤ 1 )与
x x x 轴围成,则
D D D 绕
x x x 轴旋转的旋转体体积为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 圆盘法。 V = π ∫ 0 1 x sin 2 π x d x = π 2 ∫ 0 1 x ( 1 − cos 2 π x ) d x V=\pi\int_0^1x\sin^2\pi x\dx=\dfrac\pi2\int_0^1x(1-\cos2\pi x)\dx V = π ∫ 0 1 x sin 2 π x d x = 2 π ∫ 0 1 x ( 1 − cos 2 π x ) d x 。
圆盘法要用 y 2 = x sin 2 π x y^2=x\sin^2\pi x y 2 = x sin 2 π x ;sin 2 \sin^2 sin 2 用降幂公式 sin 2 π x = 1 − cos 2 π x 2 \sin^2\pi x=\frac{1-\cos2\pi x}2 sin 2 π x = 2 1 − c o s 2 π x 化成一次。
② 计算。 ∫ 0 1 x d x = 1 2 \int_0^1x\dx=\dfrac12 ∫ 0 1 x d x = 2 1 ,∫ 0 1 x cos 2 π x d x = 0 \int_0^1x\cos2\pi x\dx=0 ∫ 0 1 x cos 2 π x d x = 0 (分部:边界项和剩下的积分都是 0),所以 V = π 4 V=\dfrac\pi4 V = 4 π 。
x cos 2 π x x\cos2\pi x x cos 2 π x 分部:边界项含 sin 2 π x \sin2\pi x sin 2 π x ,在 0 和 1 处都是 0;剩下的积分给出 cos 2 π x \cos2\pi x cos 2 π x ,在 0 和 1 处都是 1,相减也是 0。
答案:π 4 \frac\pi4 4 π
例 7.12 2010 数三(10)
设位于曲线
y = 1 x ( 1 + ln 2 x ) y=\dfrac1{\sqrt{x(1+\ln^2x)}} y = x ( 1 + ln 2 x ) 1 (
e ≤ x < + ∞ \e\le x<+\infty e ≤ x < + ∞ )下方、
x x x 轴上方的无界区域为
G G G ,则
G G G 绕
x x x 轴旋转一周所得空间区域的体积为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 圆盘法,平方后根号消失。 V = π ∫ e + ∞ d x x ( 1 + ln 2 x ) V=\pi\int_{\e}^{+\infty}\dfrac{\dx}{x(1+\ln^2x)} V = π ∫ e + ∞ x ( 1 + ln 2 x ) d x 。
无界区域的体积是反常积分。
② 令 t = ln x t=\ln x t = ln x 。 = π ∫ 1 + ∞ d t 1 + t 2 = π ( π 2 − π 4 ) = π 2 4 =\pi\int_1^{+\infty}\dfrac{\dt}{1+t^2}=\pi\Big(\dfrac\pi2-\dfrac\pi4\Big)=\dfrac{\pi^2}4 = π ∫ 1 + ∞ 1 + t 2 d t = π ( 2 π − 4 π ) = 4 π 2 。
令 t = ln x t=\ln x t = ln x , d x x = d t \frac{\dx}x=\dt x d x = d t ;x = e x=\e x = e 时 t = 1 t=1 t = 1 ,x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 t → + ∞ t\to+\infty t → + ∞ 。
答案:π 2 4 \frac{\pi^2}4 4 π 2
例 7.13 2011 数三(12)
曲线
y = x 2 − 1 y=\sqrt{x^2-1} y = x 2 − 1 ,直线
x = 2 x=2 x = 2 及
x x x 轴所围的平面图形绕
x x x 轴旋转所成的旋转体的体积为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 确定区域。 x ≥ 1 x\ge1 x ≥ 1 时曲线有定义,从 ( 1 , 0 ) (1,0) ( 1 , 0 ) 出发,区域是 1 ≤ x ≤ 2 1\le x\le2 1 ≤ x ≤ 2 、0 ≤ y ≤ x 2 − 1 0\le y\le\sqrt{x^2-1} 0 ≤ y ≤ x 2 − 1 。
曲线与 x x x 轴交于 x = 1 x=1 x = 1 ,自动封口。
② 圆盘法。 V = π ∫ 1 2 ( x 2 − 1 ) d x = π [ x 3 3 − x ] 1 2 = 4 π 3 V=\pi\int_1^2(x^2-1)\dx=\pi\Big[\dfrac{x^3}3-x\Big]_1^2=\dfrac{4\pi}3 V = π ∫ 1 2 ( x 2 − 1 ) d x = π [ 3 x 3 − x ] 1 2 = 3 4 π 。
平方后根号消失。
答案:4 π 3 \frac{4\pi}3 3 4 π
例 7.14 2024 数二(19)
设
t > 0 t>0 t > 0 ,曲线
y = x e − x y=\sqrt x\e^{-x} y = x e − x 与直线
x = t x=t x = t ,
x = 2 t x=2t x = 2 t 及
x x x 轴所围平面图形绕
x x x 轴旋转所得的旋转体体积为
V ( t ) V(t) V ( t ) ,求
V ( t ) V(t) V ( t ) 的最大值。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 写出 V ( t ) V(t) V ( t ) 。 V ( t ) = π ∫ t 2 t x e − 2 x d x V(t)=\pi\int_t^{2t}x\e^{-2x}\dx V ( t ) = π ∫ t 2 t x e − 2 x d x 。
y 2 = x e − 2 x y^2=x\e^{-2x} y 2 = x e − 2 x ,和 2024 数三(19) 的面积是同一个积分。
② 求最值。 V ′ ( t ) = π t e − 2 t ( 4 e − 2 t − 1 ) V'(t)=\pi t\e^{-2t}(4\e^{-2t}-1) V ′ ( t ) = π t e − 2 t ( 4 e − 2 t − 1 ) ,唯一驻点 t = ln 2 t=\ln2 t = ln 2 ,左增右减;V max = π ( ln 2 16 + 3 64 ) V_{\max}=\pi\Big(\dfrac{\ln2}{16}+\dfrac3{64}\Big) V m a x = π ( 16 ln 2 + 64 3 ) 。
计算见例 7.4 。
答案:π ( ln 2 16 + 3 64 ) \pi\big(\frac{\ln2}{16}+\frac3{64}\big) π ( 16 l n 2 + 64 3 )
例 7.15 2026 数二(20)
已知
M ( x 0 , y 0 ) M(x_0,y_0) M ( x 0 , y 0 ) 是曲线
y = 1 1 + x 2 y=\dfrac1{1+x^2} y = 1 + x 2 1 (
x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 )的拐点,
O O O 为坐标原点,记
D D D 是第一象限内以曲线
y = 1 1 + x 2 y=\dfrac1{1+x^2} y = 1 + x 2 1 (
x ≥ x 0 x\ge x_0 x ≥ x 0 )、线段
O M OM OM 及
x x x 轴正半轴为边界的无界区域,求
D D D 绕
x x x 轴旋转所得旋转体的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求拐点。 y ′ ′ = 6 x 2 − 2 ( 1 + x 2 ) 3 y''=\dfrac{6x^2-2}{(1+x^2)^3} y ′′ = ( 1 + x 2 ) 3 6 x 2 − 2 ,x 0 = 1 3 x_0=\dfrac1{\sqrt3} x 0 = 3 1 ,y 0 = 3 4 y_0=\dfrac34 y 0 = 4 3 。
拐点是二阶导数变号的点:分母恒正,6 x 2 − 2 6x^2-2 6 x 2 − 2 在 x = 1 3 x=\frac1{\sqrt3} x = 3 1 处由负变正;再代回曲线:y 0 = 1 1 + 1 / 3 = 3 4 y_0=\frac1{1+1/3}=\frac34 y 0 = 1 + 1/3 1 = 4 3 。
② 分两块。 [ 0 , x 0 ] [0,x_0] [ 0 , x 0 ] 上是线段 O M OM OM 下的三角形,转成圆锥:V 1 = 1 3 π y 0 2 x 0 = 3 π 16 V_1=\dfrac13\pi y_0^2x_0=\dfrac{\sqrt3\pi}{16} V 1 = 3 1 π y 0 2 x 0 = 16 3 π 。[ x 0 , + ∞ ) [x_0,+\infty) [ x 0 , + ∞ ) 上:V 2 = π ∫ 1 / 3 + ∞ d x ( 1 + x 2 ) 2 V_2=\pi\int_{1/\sqrt3}^{+\infty}\dfrac{\dx}{(1+x^2)^2} V 2 = π ∫ 1/ 3 + ∞ ( 1 + x 2 ) 2 d x 。
圆锥体积公式,底面半径 3 4 \frac34 4 3 、高 1 3 \frac1{\sqrt3} 3 1 。
③ 算 V 2 V_2 V 2 。 ∫ d x ( 1 + x 2 ) 2 = x 2 ( 1 + x 2 ) + 1 2 arctan x \int\dfrac{\dx}{(1+x^2)^2}=\dfrac x{2(1+x^2)}+\dfrac12\arctan x ∫ ( 1 + x 2 ) 2 d x = 2 ( 1 + x 2 ) x + 2 1 arctan x ,V 2 = π [ π 4 − 3 8 − π 12 ] = π ( π 6 − 3 8 ) V_2=\pi\Big[\dfrac\pi4-\dfrac{\sqrt3}8-\dfrac\pi{12}\Big]=\pi\Big(\dfrac\pi6-\dfrac{\sqrt3}8\Big) V 2 = π [ 4 π − 8 3 − 12 π ] = π ( 6 π − 8 3 ) 。
令 x = tan t x=\tan t x = tan t 时 d x ( 1 + x 2 ) 2 = cos 2 t d t \frac{\dx}{(1+x^2)^2}=\cos^2t\dt ( 1 + x 2 ) 2 d x = cos 2 t d t ,降幂积分后换回 x x x 得到这个原函数;下限 x = 1 3 x=\frac1{\sqrt3} x = 3 1 代入:1 / 3 2 ⋅ 4 3 = 3 8 \frac{1/\sqrt3}{2\cdot\frac43}=\frac{\sqrt3}8 2 ⋅ 3 4 1/ 3 = 8 3 ,arctan 1 3 = π 6 \arctan\frac1{\sqrt3}=\frac\pi6 arctan 3 1 = 6 π 。
④ 相加。 V = π 2 6 − 3 π 16 V=\dfrac{\pi^2}6-\dfrac{\sqrt3\pi}{16} V = 6 π 2 − 16 3 π 。
圆锥部分 3 π 16 \frac{\sqrt3\pi}{16} 16 3 π 和 V 2 V_2 V 2 里的 − 3 π 8 -\frac{\sqrt3\pi}8 − 8 3 π 合并:3 π 16 − 2 3 π 16 = − 3 π 16 \frac{\sqrt3\pi}{16}-\frac{2\sqrt3\pi}{16}=-\frac{\sqrt3\pi}{16} 16 3 π − 16 2 3 π = − 16 3 π 。
答案:π 2 6 − 3 π 16 \frac{\pi^2}6-\frac{\sqrt3\pi}{16} 6 π 2 − 16 3 π
例 7.16 李林 第六章 §5 例 2、例 3 · p159
(1)过原点作曲线
y = ln x y=\ln x y = ln x 的切线,该切线与曲线及
x x x 轴围成平面图形
D D D ,求
D D D 的面积及
D D D 绕直线
x = e x=\e x = e 旋转一周所得旋转体的体积。(2)求曲线
y = e − x sin x y=\e^{-x}\sqrt{\sin x} y = e − x sin x (
x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 )与
x x x 轴之间的图形绕
x x x 轴旋转所得旋转体的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 切点。 设切点 ( a , ln a ) (a,\ln a) ( a , ln a ) ,切线过原点:ln a = 1 a ⋅ a = 1 \ln a=\frac1a\cdot a=1 ln a = a 1 ⋅ a = 1 ,a = e a=\e a = e ,切线 y = x e y=\dfrac x\e y = e x 。
和 2012 数二(17) 同一个求法。
② (1) 面积:横着切。 A = ∫ 0 1 ( e y − e y ) d y = e − 1 − e 2 = e 2 − 1 A=\int_0^1(\e^y-\e y)\dy=\e-1-\dfrac\e2=\dfrac\e2-1 A = ∫ 0 1 ( e y − e y ) d y = e − 1 − 2 e = 2 e − 1 。
右边界是曲线 x = e y x=\e^y x = e y ,左边界是切线 x = e y x=\e y x = e y 。
③ (1) 绕 x = e x=\e x = e :半径是到 x = e x=\e x = e 的距离。 横条绕 x = e x=\e x = e 转成圆环:外半径 e − e y \e-\e y e − e y ,内半径 e − e y \e-\e^y e − e y 。V = π ∫ 0 1 [ ( e − e y ) 2 − ( e − e y ) 2 ] d y = π 6 ( 5 e 2 − 12 e + 3 ) V=\pi\int_0^1\big[(\e-\e y)^2-(\e-\e^y)^2\big]\dy=\dfrac\pi6(5\e^2-12\e+3) V = π ∫ 0 1 [ ( e − e y ) 2 − ( e − e y ) 2 ] d y = 6 π ( 5 e 2 − 12 e + 3 ) 。
两个积分分别算:第一个是多项式,∫ 0 1 ( 1 − y ) 2 d y = 1 3 \int_0^1(1-y)^2\dy=\frac13 ∫ 0 1 ( 1 − y ) 2 d y = 3 1 ;第二个把 ( e − e y ) 2 = e 2 − 2 e e y + e 2 y (\e-\e^y)^2=\e^2-2\e\,\e^y+\e^{2y} ( e − e y ) 2 = e 2 − 2 e e y + e 2 y 展开后逐项积分。
④ (2) 无穷多段。 sin x ≥ 0 \sin x\ge0 sin x ≥ 0 在 [ 2 k π , ( 2 k + 1 ) π ] [2k\pi,(2k+1)\pi] [ 2 kπ , ( 2 k + 1 ) π ] 上。V = π ∑ k = 0 ∞ ∫ 2 k π ( 2 k + 1 ) π e − 2 x sin x d x = π ⋅ 1 + e − 2 π 5 ∑ k = 0 ∞ e − 4 k π = π 5 ( 1 − e − 2 π ) V=\pi\sum\limits_{k=0}^\infty\int_{2k\pi}^{(2k+1)\pi}\e^{-2x}\sin x\dx=\pi\cdot\dfrac{1+\e^{-2\pi}}5\sum\limits_{k=0}^\infty\e^{-4k\pi}=\dfrac\pi{5(1-\e^{-2\pi})} V = π k = 0 ∑ ∞ ∫ 2 kπ ( 2 k + 1 ) π e − 2 x sin x d x = π ⋅ 5 1 + e − 2 π k = 0 ∑ ∞ e − 4 kπ = 5 ( 1 − e − 2 π ) π 。
∫ 0 π e − 2 x sin x d x = 1 + e − 2 π 5 \int_0^\pi\e^{-2x}\sin x\dx=\frac{1+\e^{-2\pi}}5 ∫ 0 π e − 2 x sin x d x = 5 1 + e − 2 π (分部两次);后面每段是前一段乘 e − 4 π \e^{-4\pi} e − 4 π ,等比级数求和。
答案:(1) e 2 − 1 \frac\e2-1 2 e − 1 ,π 6 ( 5 e 2 − 12 e + 3 ) \frac\pi6(5\e^2-12\e+3) 6 π ( 5 e 2 − 12 e + 3 ) ;(2) π 5 ( 1 − e − 2 π ) \frac\pi{5(1-\e^{-2\pi})} 5 ( 1 − e − 2 π ) π
例 7.17 李林 第六章 §5 例 5 · p160
求摆线
x = a ( t − sin t ) x=a(t-\sin t) x = a ( t − sin t ) ,
y = a ( 1 − cos t ) y=a(1-\cos t) y = a ( 1 − cos t ) 的一拱(
0 ≤ t ≤ 2 π 0\le t\le2\pi 0 ≤ t ≤ 2 π )与
x x x 轴所围图形分别绕
x x x 轴、
y y y 轴旋转所得旋转体的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 绕 x x x 轴。 V x = π ∫ 0 2 π a y 2 d x = π ∫ 0 2 π a 2 ( 1 − cos t ) 2 ⋅ a ( 1 − cos t ) d t = π a 3 ∫ 0 2 π ( 1 − cos t ) 3 d t = 5 π 2 a 3 V_x=\pi\int_0^{2\pi a}y^2\dx=\pi\int_0^{2\pi}a^2(1-\cos t)^2\cdot a(1-\cos t)\dt=\pi a^3\int_0^{2\pi}(1-\cos t)^3\dt=5\pi^2a^3 V x = π ∫ 0 2 πa y 2 d x = π ∫ 0 2 π a 2 ( 1 − cos t ) 2 ⋅ a ( 1 − cos t ) d t = π a 3 ∫ 0 2 π ( 1 − cos t ) 3 d t = 5 π 2 a 3 。
参数方程: d x = a ( 1 − cos t ) d t \dx=a(1-\cos t)\dt d x = a ( 1 − cos t ) d t 。半角公式 1 − cos t = 2 sin 2 t 2 1-\cos t=2\sin^2\frac t2 1 − cos t = 2 sin 2 2 t ,所以 ( 1 − cos t ) 3 = 8 sin 6 t 2 (1-\cos t)^3=8\sin^6\frac t2 ( 1 − cos t ) 3 = 8 sin 6 2 t ;令 u = t 2 u=\frac t2 u = 2 t :∫ 0 2 π 8 sin 6 t 2 d t = 16 ∫ 0 π sin 6 u d u = 32 ∫ 0 π / 2 sin 6 u d u = 32 ⋅ 5 6 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 5 π \int_0^{2\pi}8\sin^6\frac t2\dt=16\int_0^\pi\sin^6u\du=32\int_0^{\pi/2}\sin^6u\du=32\cdot\frac56\cdot\frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2=5\pi ∫ 0 2 π 8 sin 6 2 t d t = 16 ∫ 0 π sin 6 u d u = 32 ∫ 0 π /2 sin 6 u d u = 32 ⋅ 6 5 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 5 π (华里士)。
② 绕 y y y 轴:柱壳。 V y = 2 π ∫ 0 2 π a x y d x = 2 π a 3 ∫ 0 2 π ( t − sin t ) ( 1 − cos t ) 2 d t = 6 π 3 a 3 V_y=2\pi\int_0^{2\pi a}xy\dx=2\pi a^3\int_0^{2\pi}(t-\sin t)(1-\cos t)^2\dt=6\pi^3a^3 V y = 2 π ∫ 0 2 πa x y d x = 2 π a 3 ∫ 0 2 π ( t − sin t ) ( 1 − cos t ) 2 d t = 6 π 3 a 3 。
把 ( t − sin t ) ( 1 − cos t ) 2 (t-\sin t)(1-\cos t)^2 ( t − sin t ) ( 1 − cos t ) 2 拆成两部分。含 t t t 的部分:( 1 − cos t ) 2 = 1 − 2 cos t + cos 2 t (1-\cos t)^2=1-2\cos t+\cos^2t ( 1 − cos t ) 2 = 1 − 2 cos t + cos 2 t ,∫ 0 2 π t d t = 2 π 2 \int_0^{2\pi}t\dt=2\pi^2 ∫ 0 2 π t d t = 2 π 2 ,∫ 0 2 π t cos t d t = [ t sin t + cos t ] 0 2 π = 0 \int_0^{2\pi}t\cos t\dt=[t\sin t+\cos t]_0^{2\pi}=0 ∫ 0 2 π t cos t d t = [ t sin t + cos t ] 0 2 π = 0 ,∫ 0 2 π t cos 2 t d t = ∫ 0 2 π t ( 1 + cos 2 t ) 2 d t = π 2 \int_0^{2\pi}t\cos^2t\dt=\int_0^{2\pi}\frac{t(1+\cos2t)}2\dt=\pi^2 ∫ 0 2 π t cos 2 t d t = ∫ 0 2 π 2 t ( 1 + c o s 2 t ) d t = π 2 ,合起来 2 π 2 − 0 + π 2 = 3 π 2 2\pi^2-0+\pi^2=3\pi^2 2 π 2 − 0 + π 2 = 3 π 2 。含 sin t \sin t sin t 的部分:∫ 0 2 π sin t ( 1 − cos t ) 2 d t = ( 1 − cos t ) 3 3 ∣ 0 2 π = 0 \int_0^{2\pi}\sin t(1-\cos t)^2\dt=\frac{(1-\cos t)^3}3\Big|_0^{2\pi}=0 ∫ 0 2 π sin t ( 1 − cos t ) 2 d t = 3 ( 1 − c o s t ) 3 0 2 π = 0 。所以 V y = 2 π a 3 ⋅ 3 π 2 V_y=2\pi a^3\cdot3\pi^2 V y = 2 π a 3 ⋅ 3 π 2 。
答案:V x = 5 π 2 a 3 V_x=5\pi^2a^3 V x = 5 π 2 a 3 ,V y = 6 π 3 a 3 V_y=6\pi^3a^3 V y = 6 π 3 a 3
7.4 弧长与旋转曲面的面积(数一、数二)
大白话:把曲线切成很多小段,每段近似成直线段,长度 d s = d x 2 + d y 2 \dd s=\sqrt{\dd x^2+\dd y^2} d s = d x 2 + d y 2 。三种坐标只是把 d x \dd x d x 、d y \dd y d y 换个写法。旋转曲面的面积:小段绕 x x x 轴转一圈是一条窄带子,长 2 π y 2\pi y 2 π y 、宽 d s \dd s d s 。
x y O dx dy ds ds =√(dx ²+dy ²)=√(1+y ′²) dx y =f (x )弧长微元 d s = d x 2 + d y 2 \dd s=\sqrt{\dd x^2+\dd y^2} d s = d x 2 + d y 2 ,是以 d x \dd x d x 、d y \dd y d y 为直角边的小三角形的斜边。
弧长与侧面积公式(李林 p157—158)
s = ∫ a b 1 + y ′ 2 d x = ∫ α β x ′ 2 ( t ) + y ′ 2 ( t ) d t = ∫ α β r 2 + r ′ 2 d θ , \displaystyle s=\int_a^b\sqrt{1+y'^2}\dx=\int_\alpha^\beta\sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)}\dt=\int_\alpha^\beta\sqrt{r^2+r'^2}\dth, s = ∫ a b 1 + y ′2 d x = ∫ α β x ′2 ( t ) + y ′2 ( t ) d t = ∫ α β r 2 + r ′2 d θ ,
S 侧 = 2 π ∫ a b ∣ y ∣ 1 + y ′ 2 d x \displaystyle S_{侧}=2\pi\int_a^b|y|\sqrt{1+y'^2}\dx S 侧 = 2 π ∫ a b ∣ y ∣ 1 + y ′2 d x ( 绕 x 轴 ) . \displaystyle (\text{绕 }x\text{ 轴}). ( 绕 x 轴 ) .
方法卡 · 弧长、侧面积
什么时候用
求曲线的长度;求旋转曲面(侧面)的面积。
步骤
按曲线给出的方式选公式,求 y ′ y' y ′ (或 x ′ x' x ′ 、y ′ y' y ′ ,或 r ′ r' r ′ )。
化简根号:真题几乎都能开成完全平方或 sec \sec sec 。
积分;侧面积别忘了乘 2 π y 2\pi y 2 π y 。
最容易错
侧面积写成
2 π ∫ y d x 2\pi\int y\dx 2 π ∫ y d x (漏了
1 + y ′ 2 \sqrt{1+y'^2} 1 + y ′2 );参数方程的弧长漏掉根号里的某一项。
例 7.18 2011 数一(9)
曲线
y = ∫ 0 x tan t d t y=\int_0^x\tan t\dt y = ∫ 0 x tan t d t (
0 ≤ x ≤ π 4 0\le x\le\frac\pi4 0 ≤ x ≤ 4 π )的弧长
s = s= s = ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求导。 y ′ = tan x y'=\tan x y ′ = tan x 。
变上限积分求导,不用把 y y y 积出来。
② 弧长。 s = ∫ 0 π / 4 1 + tan 2 x d x = ∫ 0 π / 4 sec x d x = ln ( sec x + tan x ) ∣ 0 π / 4 = ln ( 1 + 2 ) s=\int_0^{\pi/4}\sqrt{1+\tan^2x}\dx=\int_0^{\pi/4}\sec x\dx=\ln(\sec x+\tan x)\Big|_0^{\pi/4}=\ln(1+\sqrt2) s = ∫ 0 π /4 1 + tan 2 x d x = ∫ 0 π /4 sec x d x = ln ( sec x + tan x ) 0 π /4 = ln ( 1 + 2 ) 。
平方关系 1 + tan 2 x = sec 2 x 1+\tan^2x=\sec^2x 1 + tan 2 x = sec 2 x 把根号开出来;在 [ 0 , π 4 ] [0,\frac\pi4] [ 0 , 4 π ] 上 cos x > 0 \cos x>0 cos x > 0 ,所以 sec x > 0 \sec x>0 sec x > 0 ,开方不用加负号。
答案:ln ( 1 + 2 ) \ln(1+\sqrt2) ln ( 1 + 2 )
例 7.19 2019 数二(12)
曲线
y = ln cos x y=\ln\cos x y = ln cos x (
0 ≤ x ≤ π 6 0\le x\le\frac\pi6 0 ≤ x ≤ 6 π )的弧长为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求导。 y ′ = − tan x y'=-\tan x y ′ = − tan x ,1 + y ′ 2 = sec x \sqrt{1+y'^2}=\sec x 1 + y ′2 = sec x 。
和 2011 数一(9) 一样,1 + tan 2 x = sec 2 x 1+\tan^2x=\sec^2x 1 + tan 2 x = sec 2 x ,而 [ 0 , π 6 ] [0,\frac\pi6] [ 0 , 6 π ] 上 sec x > 0 \sec x>0 sec x > 0 ,根号直接开出。
② 积分。 s = ln ( sec x + tan x ) ∣ 0 π / 6 = ln ( 2 3 + 1 3 ) = ln 3 = 1 2 ln 3 s=\ln(\sec x+\tan x)\Big|_0^{\pi/6}=\ln\Big(\dfrac2{\sqrt3}+\dfrac1{\sqrt3}\Big)=\ln\sqrt3=\dfrac12\ln3 s = ln ( sec x + tan x ) 0 π /6 = ln ( 3 2 + 3 1 ) = ln 3 = 2 1 ln 3 。
特殊角:cos π 6 = 3 2 \cos\frac\pi6=\frac{\sqrt3}2 cos 6 π = 2 3 ,所以 sec π 6 = 2 3 \sec\frac\pi6=\frac2{\sqrt3} sec 6 π = 3 2 ;tan π 6 = 1 3 \tan\frac\pi6=\frac1{\sqrt3} tan 6 π = 3 1 。两者相加是 3 3 = 3 \frac3{\sqrt3}=\sqrt3 3 3 = 3 。
答案:1 2 ln 3 \frac12\ln3 2 1 ln 3
例 7.20 2010 数二(12)
当
0 ≤ θ ≤ π 0\le\theta\le\pi 0 ≤ θ ≤ π 时,对数螺线
r = e θ r=\e^\theta r = e θ 的弧长为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 极坐标弧长。 r ′ = e θ r'=\e^\theta r ′ = e θ ,r 2 + r ′ 2 = 2 e θ \sqrt{r^2+r'^2}=\sqrt2\e^\theta r 2 + r ′2 = 2 e θ 。
曲线用极坐标给出,弧长公式是 ∫ r 2 + r ′ 2 d θ \int\sqrt{r^2+r'^2}\dth ∫ r 2 + r ′2 d θ ;r = e θ r=\e^\theta r = e θ 求导还是它自己。
② 积分。 s = 2 ∫ 0 π e θ d θ = 2 ( e π − 1 ) s=\sqrt2\int_0^\pi\e^\theta\dth=\sqrt2(\e^\pi-1) s = 2 ∫ 0 π e θ d θ = 2 ( e π − 1 ) 。
e θ \e^\theta e θ 的原函数是它自己,直接代上下限。
答案:2 ( e π − 1 ) \sqrt2(\e^\pi-1) 2 ( e π − 1 )
例 7.21 2023 数二(12)
曲线
y = ∫ − 3 x 3 − t 2 d t y=\int_{-\sqrt3}^x\sqrt{3-t^2}\dt y = ∫ − 3 x 3 − t 2 d t 的弧长为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 定义域与导数。 被积函数要求 t 2 ≤ 3 t^2\le3 t 2 ≤ 3 ,所以 − 3 ≤ x ≤ 3 -\sqrt3\le x\le\sqrt3 − 3 ≤ x ≤ 3 ;y ′ = 3 − x 2 y'=\sqrt{3-x^2} y ′ = 3 − x 2 。
曲线的范围由被积函数有定义决定。
② 弧长。 s = ∫ − 3 3 4 − x 2 d x = [ x 2 4 − x 2 + 2 arcsin x 2 ] − 3 3 = 3 + 4 π 3 s=\int_{-\sqrt3}^{\sqrt3}\sqrt{4-x^2}\dx=\Big[\dfrac x2\sqrt{4-x^2}+2\arcsin\dfrac x2\Big]_{-\sqrt3}^{\sqrt3}=\sqrt3+\dfrac{4\pi}3 s = ∫ − 3 3 4 − x 2 d x = [ 2 x 4 − x 2 + 2 arcsin 2 x ] − 3 3 = 3 + 3 4 π 。
积分表第 13 条(a = 2 a=2 a = 2 );也可看成半径 2 的圆中的扇形加三角形。
答案:3 + 4 π 3 \sqrt3+\frac{4\pi}3 3 + 3 4 π
例 7.22 2021 数二(19)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 满足
∫ f ( x ) x d x = 1 6 x 2 − x + C \int\dfrac{f(x)}{\sqrt x}\dx=\dfrac16x^2-x+C ∫ x f ( x ) d x = 6 1 x 2 − x + C ,
L L L 为曲线
y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) (
4 ≤ x ≤ 9 4\le x\le9 4 ≤ x ≤ 9 )。记
L L L 的长度为
S S S ,
L L L 绕
x x x 轴旋转的旋转曲面的面积为
A A A ,求
S S S 和
A A A 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 求 f f f 。 两边求导:f ( x ) x = x 3 − 1 \dfrac{f(x)}{\sqrt x}=\dfrac x3-1 x f ( x ) = 3 x − 1 ,f ( x ) = x 3 / 2 3 − x f(x)=\dfrac{x^{3/2}}3-\sqrt x f ( x ) = 3 x 3/2 − x 。
“先积后导”回到被积函数。
② 根号开方。 f ′ ( x ) = x 2 − 1 2 x = x − 1 2 x f'(x)=\dfrac{\sqrt x}2-\dfrac1{2\sqrt x}=\dfrac{x-1}{2\sqrt x} f ′ ( x ) = 2 x − 2 x 1 = 2 x x − 1 ,1 + f ′ 2 = ( x + 1 ) 2 4 x 1+f'^2=\dfrac{(x+1)^2}{4x} 1 + f ′2 = 4 x ( x + 1 ) 2 ,1 + f ′ 2 = x + 1 2 x \sqrt{1+f'^2}=\dfrac{x+1}{2\sqrt x} 1 + f ′2 = 2 x x + 1 。
4 x + ( x − 1 ) 2 = ( x + 1 ) 2 4x+(x-1)^2=(x+1)^2 4 x + ( x − 1 ) 2 = ( x + 1 ) 2 ,这类题都设计成能开方。
③ 弧长。 S = ∫ 4 9 x + 1 2 x d x = [ x 3 / 2 3 + x ] 4 9 = 12 − 14 3 = 22 3 S=\int_4^9\dfrac{x+1}{2\sqrt x}\dx=\Big[\dfrac{x^{3/2}}3+\sqrt x\Big]_4^9=12-\dfrac{14}3=\dfrac{22}3 S = ∫ 4 9 2 x x + 1 d x = [ 3 x 3/2 + x ] 4 9 = 12 − 3 14 = 3 22 。
被积函数 x + 1 2 x \frac{x+1}{2\sqrt x} 2 x x + 1 拆成两项 x 2 + 1 2 x \frac{\sqrt x}2+\frac1{2\sqrt x} 2 x + 2 x 1 ,每项都是幂函数,直接用幂函数公式。
④ 侧面积。 A = 2 π ∫ 4 9 f ⋅ x + 1 2 x d x = π ∫ 4 9 ( x 3 − 1 ) ( x + 1 ) d x = π [ x 3 9 − x 2 3 − x ] 4 9 = 425 π 9 A=2\pi\int_4^9f\cdot\dfrac{x+1}{2\sqrt x}\dx=\pi\int_4^9\Big(\dfrac x3-1\Big)(x+1)\dx=\pi\Big[\dfrac{x^3}9-\dfrac{x^2}3-x\Big]_4^9=\dfrac{425\pi}9 A = 2 π ∫ 4 9 f ⋅ 2 x x + 1 d x = π ∫ 4 9 ( 3 x − 1 ) ( x + 1 ) d x = π [ 9 x 3 − 3 x 2 − x ] 4 9 = 9 425 π 。
f f f 可以写成 x ( x 3 − 1 ) \sqrt x\big(\frac x3-1\big) x ( 3 x − 1 ) ,和 1 + f ′ 2 = x + 1 2 x \sqrt{1+f'^2}=\frac{x+1}{2\sqrt x} 1 + f ′2 = 2 x x + 1 相乘时 x \sqrt x x 约掉,只剩多项式。
答案:S = 22 3 S=\frac{22}3 S = 3 22 ,A = 425 π 9 A=\frac{425\pi}9 A = 9 425 π
例 7.23 2016 数二(20)
设
D D D 是由曲线
y = 1 − x 2 y=\sqrt{1-x^2} y = 1 − x 2 (
0 ≤ x ≤ 1 0\le x\le1 0 ≤ x ≤ 1 )与
{ x = cos 3 t y = sin 3 t \begin{cases}x=\cos^3t\\y=\sin^3t\end{cases} { x = cos 3 t y = sin 3 t (
0 ≤ t ≤ π 2 0\le t\le\frac\pi2 0 ≤ t ≤ 2 π )围成的平面区域,求
D D D 绕
x x x 轴旋转一周所得旋转体的体积和表面积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 体积 = 半球 − 星形线转出的体积。 半球 2 3 π \dfrac23\pi 3 2 π ;星形线部分 π ∫ 0 1 y 2 d x = π ∫ π / 2 0 sin 6 t ⋅ ( − 3 cos 2 t sin t ) d t = 3 π ∫ 0 π / 2 sin 7 t cos 2 t d t = 3 π ( 16 35 − 128 315 ) = 16 π 105 \pi\int_0^1y^2\dx=\pi\int_{\pi/2}^0\sin^6t\cdot(-3\cos^2t\sin t)\dt=3\pi\int_0^{\pi/2}\sin^7t\cos^2t\dt=3\pi\Big(\dfrac{16}{35}-\dfrac{128}{315}\Big)=\dfrac{16\pi}{105} π ∫ 0 1 y 2 d x = π ∫ π /2 0 sin 6 t ⋅ ( − 3 cos 2 t sin t ) d t = 3 π ∫ 0 π /2 sin 7 t cos 2 t d t = 3 π ( 35 16 − 315 128 ) = 105 16 π 。
参数方程换元;t t t 从 π 2 \frac\pi2 2 π 到 0 对应 x x x 从 0 到 1;cos 2 = 1 − sin 2 \cos^2=1-\sin^2 cos 2 = 1 − sin 2 后用华里士:∫ sin 7 = 16 35 \int\sin^7=\frac{16}{35} ∫ sin 7 = 35 16 ,∫ sin 9 = 128 315 \int\sin^9=\frac{128}{315} ∫ sin 9 = 315 128 。
② 体积。 V = 2 π 3 − 16 π 105 = 18 π 35 V=\dfrac{2\pi}3-\dfrac{16\pi}{105}=\dfrac{18\pi}{35} V = 3 2 π − 105 16 π = 35 18 π 。
通分:2 3 = 70 105 \frac23=\frac{70}{105} 3 2 = 105 70 ,减去 16 105 \frac{16}{105} 105 16 得 54 105 = 18 35 \frac{54}{105}=\frac{18}{35} 105 54 = 35 18 。
③ 表面积 = 球面部分 + 星形线转出的曲面。 半球面(0 ≤ x ≤ 1 0\le x\le1 0 ≤ x ≤ 1 那一半)面积 2 π 2\pi 2 π ;星形线:d s = x ′ 2 + y ′ 2 d t = 3 sin t cos t d t \dd s=\sqrt{x'^2+y'^2}\dt=3\sin t\cos t\dt d s = x ′2 + y ′2 d t = 3 sin t cos t d t ,2 π ∫ 0 π / 2 sin 3 t ⋅ 3 sin t cos t d t = 6 π 5 2\pi\int_0^{\pi/2}\sin^3t\cdot3\sin t\cos t\dt=\dfrac{6\pi}5 2 π ∫ 0 π /2 sin 3 t ⋅ 3 sin t cos t d t = 5 6 π 。
x ′ = − 3 cos 2 t sin t x'=-3\cos^2t\sin t x ′ = − 3 cos 2 t sin t ,y ′ = 3 sin 2 t cos t y'=3\sin^2t\cos t y ′ = 3 sin 2 t cos t ,平方和开方得 3 sin t cos t 3\sin t\cos t 3 sin t cos t 。
④ 表面积。 S = 2 π + 6 π 5 = 16 π 5 S=2\pi+\dfrac{6\pi}5=\dfrac{16\pi}5 S = 2 π + 5 6 π = 5 16 π 。
旋转体的表面由两块曲面组成:球面那一块和星形线转出的那一块,面积相加。
答案:V = 18 π 35 V=\frac{18\pi}{35} V = 35 18 π ,表面积 16 π 5 \frac{16\pi}5 5 16 π
例 7.24 李林 第六章 §5 例 4、例 6 · p159—161
(1)证明:曲线
y = sin x y=\sin x y = sin x (
0 ≤ x ≤ 2 π 0\le x\le2\pi 0 ≤ x ≤ 2 π )的弧长等于椭圆
x 2 + 2 y 2 = 2 x^2+2y^2=2 x 2 + 2 y 2 = 2 的周长。(2)过原点作曲线
y = x − 1 y=\sqrt{x-1} y = x − 1 的切线,求由此曲线、切线及
x x x 轴所围图形绕
x x x 轴旋转一周所得旋转体的表面积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 正弦曲线的弧长。 s 1 = ∫ 0 2 π 1 + cos 2 x d x s_1=\int_0^{2\pi}\sqrt{1+\cos^2x}\dx s 1 = ∫ 0 2 π 1 + cos 2 x d x 。
直角坐标弧长公式 ∫ 1 + y ′ 2 d x \int\sqrt{1+y'^2}\dx ∫ 1 + y ′2 d x ,y ′ = cos x y'=\cos x y ′ = cos x 。
② (1) 椭圆的周长。 参数化 x = 2 cos t x=\sqrt2\cos t x = 2 cos t ,y = sin t y=\sin t y = sin t :s 2 = ∫ 0 2 π 2 sin 2 t + cos 2 t d t = ∫ 0 2 π 1 + sin 2 t d t s_2=\int_0^{2\pi}\sqrt{2\sin^2t+\cos^2t}\dt=\int_0^{2\pi}\sqrt{1+\sin^2t}\dt s 2 = ∫ 0 2 π 2 sin 2 t + cos 2 t d t = ∫ 0 2 π 1 + sin 2 t d t 。令 t = x + π 2 t=x+\frac\pi2 t = x + 2 π 并用周期性,得 s 2 = ∫ 0 2 π 1 + cos 2 x d x = s 1 s_2=\int_0^{2\pi}\sqrt{1+\cos^2x}\dx=s_1 s 2 = ∫ 0 2 π 1 + cos 2 x d x = s 1 。
两个积分都积不出来,但可以换元成同一个。
③ (2) 切线。 切点 ( 2 , 1 ) (2,1) ( 2 , 1 ) ,切线 y = x 2 y=\dfrac x2 y = 2 x 。
设切点 ( a , a − 1 ) (a,\sqrt{a-1}) ( a , a − 1 ) :切线过原点,斜率是 a − 1 a \frac{\sqrt{a-1}}a a a − 1 ;它又等于导数 1 2 a − 1 \frac1{2\sqrt{a-1}} 2 a − 1 1 ,两者相等解得 a = 2 a=2 a = 2 。
④ (2) 两块曲面。 圆锥侧面(切线,0 ≤ x ≤ 2 0\le x\le2 0 ≤ x ≤ 2 ):2 π ∫ 0 2 x 2 1 + 1 4 d x = 5 π 2\pi\int_0^2\dfrac x2\sqrt{1+\frac14}\dx=\sqrt5\pi 2 π ∫ 0 2 2 x 1 + 4 1 d x = 5 π ;曲线部分:2 π ∫ 1 2 x − 1 1 + 1 4 ( x − 1 ) d x = 2 π ∫ 1 2 x − 3 4 d x = π 6 ( 5 5 − 1 ) 2\pi\int_1^2\sqrt{x-1}\sqrt{1+\dfrac1{4(x-1)}}\dx=2\pi\int_1^2\sqrt{x-\frac34}\dx=\dfrac\pi6(5\sqrt5-1) 2 π ∫ 1 2 x − 1 1 + 4 ( x − 1 ) 1 d x = 2 π ∫ 1 2 x − 4 3 d x = 6 π ( 5 5 − 1 ) 。合计 π 6 ( 11 5 − 1 ) \dfrac\pi6(11\sqrt5-1) 6 π ( 11 5 − 1 ) 。
根号里乘进去:( x − 1 ) + 1 4 = x − 3 4 (x-1)+\frac14=x-\frac34 ( x − 1 ) + 4 1 = x − 4 3 。
答案:(1) 证明题。思路:椭圆参数化 x = 2 cos t x=\sqrt2\cos t x = 2 cos t ,y = sin t y=\sin t y = sin t ,周长化成 ∫ 0 2 π 1 + sin 2 t d t \int_0^{2\pi}\sqrt{1+\sin^2t}\dt ∫ 0 2 π 1 + sin 2 t d t ,平移 π 2 \frac\pi2 2 π 并用周期性,变成正弦曲线的弧长积分;(2) π 6 ( 11 5 − 1 ) \frac\pi6(11\sqrt5-1) 6 π ( 11 5 − 1 )
7.5 平行截面面积已知的立体(数一、数二)
大白话:立体不是旋转出来的,但只要知道“用垂直于 x x x 轴的平面去截,截面面积是 A ( x ) A(x) A ( x ) ”,体积就是 ∫ a b A ( x ) d x \int_a^bA(x)\dx ∫ a b A ( x ) d x ——截面积乘厚度,再加起来。旋转体只是截面恰好为圆的特例。柱体(如平放的油罐)则是“底面积 × 长”,底面积用定积分求。
x y O 油 油面 y =b /2 a −a b −b 截面:x ²/a ²+y ²/b ²≤1,y ≤b /2 2010 数二(18):平放的椭圆柱形油罐,横截面里油占据 y ≤ b 2 y\le\frac b2 y ≤ 2 b 的部分;油的体积 = 这块面积 × 罐长 l l l 。
截面法
V = ∫ a b A ( x ) d x , \displaystyle V=\int_a^bA(x)\dx, V = ∫ a b A ( x ) d x , A ( x ) = 垂直于 x 轴的截面面积 . \displaystyle A(x)=\text{垂直于 }x\text{ 轴的截面面积}. A ( x ) = 垂直于 x 轴的截面面积 .
常见截面:正方形(边长 ℓ \ell ℓ )面积 ℓ 2 \ell^2 ℓ 2 ,正三角形 3 4 ℓ 2 \frac{\sqrt3}4\ell^2 4 3 ℓ 2 ,半圆(直径 ℓ \ell ℓ )π 8 ℓ 2 \frac\pi8\ell^2 8 π ℓ 2 ,等腰直角三角形(斜边 ℓ \ell ℓ )ℓ 2 4 \frac{\ell^2}4 4 ℓ 2 。
方法卡 · 截面法
什么时候用
立体的底面是平面区域,垂直于某轴的截面形状已知(正方形、三角形、半圆等),或者是柱体。
步骤
建坐标系,写出底面区域。
在 x x x 处,截面的边长 ℓ ( x ) \ell(x) ℓ ( x ) 由底面区域的宽度给出,写出 A ( x ) A(x) A ( x ) 。
V = ∫ A ( x ) d x V=\int A(x)\dx V = ∫ A ( x ) d x 。柱体就是“底面积 × 高”。
最容易错
油罐题把“从罐底量起”的油深直接当成坐标;截面边长用了半宽而不是全宽。
例 7.25 2010 数二(18)
一个高为
l l l 的柱体形贮油罐,底面是长轴为
2 a 2a 2 a 、短轴为
2 b 2b 2 b 的椭圆。现将贮油罐平放,当油罐中油面高度为
3 2 b \frac32b 2 3 b 时,计算油的质量。(长度单位为 m,质量单位为 kg,油的密度为常量
ρ \rho ρ ,单位为 kg/m³。)
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 建坐标,翻译油面。 以椭圆中心为原点,截面 x 2 a 2 + y 2 b 2 ≤ 1 \dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}\le1 a 2 x 2 + b 2 y 2 ≤ 1 ;罐底在 y = − b y=-b y = − b ,油深 3 2 b \frac32b 2 3 b ,油面在 y = b 2 y=\frac b2 y = 2 b 。
“从罐底量起”要减去 b b b 。
② 油的截面积 = 椭圆面积 − 油面以上的部分。 油面以上:∫ b / 2 b 2 a 1 − y 2 b 2 d y = 2 a b ∫ 1 / 2 1 1 − u 2 d u = a b ( π 3 − 3 4 ) \int_{b/2}^b2a\sqrt{1-\dfrac{y^2}{b^2}}\dy=2ab\int_{1/2}^1\sqrt{1-u^2}\du=ab\Big(\dfrac\pi3-\dfrac{\sqrt3}4\Big) ∫ b /2 b 2 a 1 − b 2 y 2 d y = 2 ab ∫ 1/2 1 1 − u 2 d u = ab ( 3 π − 4 3 ) 。
横着切,宽度是 2 x = 2 a 1 − y 2 b 2 2x=2a\sqrt{1-\frac{y^2}{b^2}} 2 x = 2 a 1 − b 2 y 2 ;∫ 1 / 2 1 1 − u 2 d u = π 6 − 3 8 \int_{1/2}^1\sqrt{1-u^2}\du=\frac\pi6-\frac{\sqrt3}8 ∫ 1/2 1 1 − u 2 d u = 6 π − 8 3 (扇形减三角形)。
③ 质量。 油截面积 π a b − a b ( π 3 − 3 4 ) = a b ( 2 π 3 + 3 4 ) \pi ab-ab\Big(\dfrac\pi3-\dfrac{\sqrt3}4\Big)=ab\Big(\dfrac{2\pi}3+\dfrac{\sqrt3}4\Big) πab − ab ( 3 π − 4 3 ) = ab ( 3 2 π + 4 3 ) ,质量 m = ρ l a b ( 2 π 3 + 3 4 ) m=\rho l\,ab\Big(\dfrac{2\pi}3+\dfrac{\sqrt3}4\Big) m = ρl ab ( 3 2 π + 4 3 ) (kg)。
柱体体积 = 截面积 × 长度,再乘密度。
答案:ρ l a b ( 2 π 3 + 3 4 ) \rho lab\big(\frac{2\pi}3+\frac{\sqrt3}4\big) ρl ab ( 3 2 π + 4 3 ) kg
例 7.26 李林 第六章 §5 提要 · p157
立体的底面是圆
x 2 + y 2 ≤ R 2 x^2+y^2\le R^2 x 2 + y 2 ≤ R 2 ,垂直于
x x x 轴的截面都是正三角形,求它的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 截面边长。 在 x x x 处,底面的弦长 ℓ ( x ) = 2 R 2 − x 2 \ell(x)=2\sqrt{R^2-x^2} ℓ ( x ) = 2 R 2 − x 2 ,就是正三角形的边长。
截面垂直于 x x x 轴,它的底边落在底面圆上。
② 截面积与体积。 A ( x ) = 3 4 ℓ 2 = 3 ( R 2 − x 2 ) A(x)=\dfrac{\sqrt3}4\ell^2=\sqrt3(R^2-x^2) A ( x ) = 4 3 ℓ 2 = 3 ( R 2 − x 2 ) ,V = ∫ − R R 3 ( R 2 − x 2 ) d x = 4 3 3 R 3 V=\int_{-R}^R\sqrt3(R^2-x^2)\dx=\dfrac{4\sqrt3}3R^3 V = ∫ − R R 3 ( R 2 − x 2 ) d x = 3 4 3 R 3 。
正三角形面积 3 4 ℓ 2 \frac{\sqrt3}4\ell^2 4 3 ℓ 2 。
答案:4 3 3 R 3 \frac{4\sqrt3}3R^3 3 4 3 R 3
7.6 物理应用:功、水压力、引力、质心(数一、数二)
大白话:物理量都是“某个量 × 另一个量”,其中一个在变。小块上把它当成不变的,乘起来就是微元 :功 = 力 × 距离(抽水:每层水的重量 × 提升高度);压力 = 压强 × 面积(压强 = ρ g × \rho g\times ρ g × 深度);引力按万有引力公式,注意是向量,先分解再积分;质心 = 力矩 ÷ 质量。
提升 y 薄层 π(R ²−y ²)dy 水面 R −R 深度 y 向下为正 半球形容器抽水:深度 y y y 处厚 d y \dd y d y 的水层重 ρ g π ( R 2 − y 2 ) d y \rho g\pi(R^2-y^2)\dd y ρ g π ( R 2 − y 2 ) d y ,提升 y y y 到水面,做功 d W = ρ g y π ( R 2 − y 2 ) d y \dd W=\rho gy\pi(R^2-y^2)\dd y d W = ρ g y π ( R 2 − y 2 ) d y 。
常用微元(李林 p158)
抽水做功:d W = ρ g ⋅ ( 薄层面积 ) d y ⋅ ( 提升距离 ) \dd W=\rho g\cdot(\text{薄层面积})\dd y\cdot(\text{提升距离}) d W = ρ g ⋅ ( 薄层面积 ) d y ⋅ ( 提升距离 ) 。
水压力(竖直平板):d P = ρ g ⋅ ( 深度 ) ⋅ ( 该深度处的宽度 ) d y \dd P=\rho g\cdot(\text{深度})\cdot(\text{该深度处的宽度})\dd y d P = ρ g ⋅ ( 深度 ) ⋅ ( 该深度处的宽度 ) d y 。
引力:d F = G m d M r 2 \dd F=\dfrac{Gm\,\dd M}{r^2} d F = r 2 G m d M ,分解成 x x x 、y y y 分量再积分;有对称性时抵消的分量直接为 0。
质心:x ˉ = ∫ x ρ ( x ) d x ∫ ρ ( x ) d x \bar x=\dfrac{\int x\rho(x)\dx}{\int\rho(x)\dx} x ˉ = ∫ ρ ( x ) d x ∫ x ρ ( x ) d x (力矩 ÷ 质量)。
形心(a ≤ x ≤ b a\le x\le b a ≤ x ≤ b ,g ( x ) ≤ y ≤ f ( x ) g(x)\le y\le f(x) g ( x ) ≤ y ≤ f ( x ) 的平面图形,面积 A A A ):x ˉ = ∫ a b x [ f ( x ) − g ( x ) ] d x A \bar x=\dfrac{\int_a^bx\,[f(x)-g(x)]\dx}{A} x ˉ = A ∫ a b x [ f ( x ) − g ( x )] d x ,y ˉ = 1 2 ∫ a b [ f 2 ( x ) − g 2 ( x ) ] d x A \bar y=\dfrac{\frac12\int_a^b\big[f^2(x)-g^2(x)\big]\dx}{A} y ˉ = A 2 1 ∫ a b [ f 2 ( x ) − g 2 ( x ) ] d x 。
方法卡 · 物理应用
什么时候用
抽水、打桩、拉绳(功);闸门、平板(水压力);细棒对质点(引力);质心、形心。
步骤
建坐标系:水的问题常让 y y y 轴向下表示深度。
取微元:一层水、一条窄带、一小段棒。写出这一小块的“量 × 量”。
积分;引力先分解,利用对称性。
最容易错
水压力把压强写成
ρ g \rho g ρ g 忘了乘深度;抽水题的提升距离写成
y y y 却没搞清
y y y 是从哪里量起的。
例 7.27 李林 第六章 §5 例 7、例 8 · p161
(1)半径为
R R R 的半球形容器盛满水,把水全部从顶部抽出,至少做多少功(水的密度
ρ \rho ρ ,重力加速度
g g g )?(2)细棒位于
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] ,线密度
ρ ( x ) = − x 2 + 2 x + 1 \rho(x)=-x^2+2x+1 ρ ( x ) = − x 2 + 2 x + 1 ,求质心坐标。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 取水层。 y y y 轴向下,深度 y ∈ [ 0 , R ] y\in[0,R] y ∈ [ 0 , R ] 处的水层半径 R 2 − y 2 \sqrt{R^2-y^2} R 2 − y 2 ,体积 π ( R 2 − y 2 ) d y \pi(R^2-y^2)\dy π ( R 2 − y 2 ) d y ,提升 y y y 。
微元取一层薄水(图中橙色薄层):它是半径 R 2 − y 2 \sqrt{R^2-y^2} R 2 − y 2 、厚 d y \dy d y 的薄圆盘,体积 = 底面积 × 厚度;深度 y y y 处的水要提升 y y y 才能到达容器顶部。
② (1) 积分。 W = ∫ 0 R ρ g π y ( R 2 − y 2 ) d y = ρ g π ( R 4 2 − R 4 4 ) = π ρ g R 4 4 W=\int_0^R\rho g\pi y(R^2-y^2)\dy=\rho g\pi\Big(\dfrac{R^4}2-\dfrac{R^4}4\Big)=\dfrac{\pi\rho gR^4}4 W = ∫ 0 R ρ g π y ( R 2 − y 2 ) d y = ρ g π ( 2 R 4 − 4 R 4 ) = 4 π ρ g R 4 。
功 = 重量 × 距离。
③ (2) 质心。 m = ∫ 0 1 ( − x 2 + 2 x + 1 ) d x = 5 3 m=\int_0^1(-x^2+2x+1)\dx=\dfrac53 m = ∫ 0 1 ( − x 2 + 2 x + 1 ) d x = 3 5 ,∫ 0 1 x ( − x 2 + 2 x + 1 ) d x = 11 12 \int_0^1x(-x^2+2x+1)\dx=\dfrac{11}{12} ∫ 0 1 x ( − x 2 + 2 x + 1 ) d x = 12 11 ,x ˉ = 11 / 12 5 / 3 = 11 20 \bar x=\dfrac{11/12}{5/3}=\dfrac{11}{20} x ˉ = 5/3 11/12 = 20 11 。
质心 = 力矩 ÷ 质量;密度在右边较大,质心偏右(> 1 2 >\frac12 > 2 1 )。
答案:(1) π ρ g R 4 4 \frac{\pi\rho gR^4}4 4 π ρ g R 4 ;(2) x ˉ = 11 20 \bar x=\frac{11}{20} x ˉ = 20 11
形心:均匀薄板的平衡点
大白话:形心就是把图形剪成一块厚薄均匀的铁皮后,它的平衡点 (密度处处为 1 的质心)。把图形切成竖条:竖条的面积是 ( f − g ) d x (f-g)\dx ( f − g ) d x ,它的质心在正中间,横坐标约为 x x x ,高度是上下两端的平均 f + g 2 \frac{f+g}2 2 f + g 。“力矩 ÷ 质量”,质量就是面积 A A A ,于是
x ˉ = 1 A ∫ a b x ( f − g ) d x , \displaystyle \bar x=\frac1A\int_a^bx\,(f-g)\dx, x ˉ = A 1 ∫ a b x ( f − g ) d x , y ˉ = 1 A ∫ a b f + g 2 ( f − g ) d x = 1 2 A ∫ a b ( f 2 − g 2 ) d x . \displaystyle \bar y=\frac1A\int_a^b\frac{f+g}2\,(f-g)\dx=\frac1{2A}\int_a^b{\big(f^2-g^2\big)}\dx. y ˉ = A 1 ∫ a b 2 f + g ( f − g ) d x = 2 A 1 ∫ a b ( f 2 − g 2 ) d x .
x y O 竖条中点 形心 (1/2, 2/5) y =x y =x ²1 1 y = x y=x y = x 与 y = x 2 y=x^2 y = x 2 围成的区域:竖条的质心在它的中点(橙色点),高度是上下两端的平均 y 上 + y 下 2 \frac{y_上+y_下}2 2 y 上 + y 下 ;所有竖条按面积加权平均,得到形心(红点)( 1 2 , 2 5 ) \big(\frac12,\frac25\big) ( 2 1 , 5 2 ) 。
例 7.28 基础 · 李林 第六章 §5 提要 · p158
求曲线
y = x 2 y=x^2 y = x 2 与直线
y = x y=x y = x 围成的平面图形
D D D 的形心坐标。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 画图、求面积。 两线交于 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 、( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) ;在 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 内 x > x 2 x>x^2 x > x 2 ,所以上边界 f = x f=x f = x ,下边界 g = x 2 g=x^2 g = x 2 。A = ∫ 0 1 ( x − x 2 ) d x = 1 2 − 1 3 = 1 6 A=\int_0^1(x-x^2)\dx=\dfrac12-\dfrac13=\dfrac16 A = ∫ 0 1 ( x − x 2 ) d x = 2 1 − 3 1 = 6 1 。
形心公式的分母是面积,先算出来;判断谁在上面,代 x = 1 2 x=\frac12 x = 2 1 一试就知道:1 2 > 1 4 \frac12>\frac14 2 1 > 4 1 。
② 横坐标 x ˉ \bar x x ˉ 。 ∫ 0 1 x ( x − x 2 ) d x = ∫ 0 1 ( x 2 − x 3 ) d x = 1 3 − 1 4 = 1 12 \int_0^1x(x-x^2)\dx=\int_0^1(x^2-x^3)\dx=\dfrac13-\dfrac14=\dfrac1{12} ∫ 0 1 x ( x − x 2 ) d x = ∫ 0 1 ( x 2 − x 3 ) d x = 3 1 − 4 1 = 12 1 ,x ˉ = 1 / 12 1 / 6 = 1 2 \bar x=\dfrac{1/12}{1/6}=\dfrac12 x ˉ = 1/6 1/12 = 2 1 。
竖条上每一点的横坐标都约等于 x x x ,所以竖条对 y y y 轴的“力矩”是 x × x\times x × (竖条面积);力矩加起来再除以总面积。
③ 纵坐标 y ˉ \bar y y ˉ 。 1 2 ∫ 0 1 ( x 2 − x 4 ) d x = 1 2 ( 1 3 − 1 5 ) = 1 15 \dfrac12\int_0^1\big(x^2-x^4\big)\dx=\dfrac12\Big(\dfrac13-\dfrac15\Big)=\dfrac1{15} 2 1 ∫ 0 1 ( x 2 − x 4 ) d x = 2 1 ( 3 1 − 5 1 ) = 15 1 ,y ˉ = 1 / 15 1 / 6 = 2 5 \bar y=\dfrac{1/15}{1/6}=\dfrac25 y ˉ = 1/6 1/15 = 5 2 。
竖条的质心高度是 x + x 2 2 \frac{x+x^2}2 2 x + x 2 (上下两端的平均),乘竖条面积 ( x − x 2 ) d x (x-x^2)\dx ( x − x 2 ) d x ,由平方差公式正好是 1 2 ( x 2 − x 4 ) d x \frac12(x^2-x^4)\dx 2 1 ( x 2 − x 4 ) d x 。
④ 检查。 在 x = 1 2 x=\frac12 x = 2 1 处,区域的纵向范围是 1 4 ≤ y ≤ 1 2 \frac14\le y\le\frac12 4 1 ≤ y ≤ 2 1 ,2 5 \frac25 5 2 在其中,形心落在图形内部。
这块区域是“一整块、边界不向里凹”的图形(几何上叫凸区域),形心必在图形内部;算出来跑到外面,就一定算错了。这是最快的验算。
答案:( 1 2 , 2 5 ) \big(\frac12,\frac25\big) ( 2 1 , 5 2 )
例 7.29 2011 数二(20)
一容器的内侧是由曲线绕
y y y 轴旋转一周而成的曲面,该曲线由
x 2 + y 2 = 2 y x^2+y^2=2y x 2 + y 2 = 2 y (
y ≥ 1 2 y\ge\frac12 y ≥ 2 1 )与
x 2 + y 2 = 1 x^2+y^2=1 x 2 + y 2 = 1 (
y ≤ 1 2 y\le\frac12 y ≤ 2 1 )连接而成。(Ⅰ)求容器的容积;(Ⅱ)若将容器内盛满的水从容器顶部全部抽出,至少需要做多少功?(长度单位 m,重力加速度
g g g m/s²,水的密度
10 3 10^3 1 0 3 kg/m³)
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 看清容器。 下半部分是 x 2 + y 2 = 1 x^2+y^2=1 x 2 + y 2 = 1 ,y y y 从 − 1 -1 − 1 到 1 2 \frac12 2 1 ;上半部分是 x 2 + ( y − 1 ) 2 = 1 x^2+(y-1)^2=1 x 2 + ( y − 1 ) 2 = 1 ,y y y 从 1 2 \frac12 2 1 到 2(顶部)。两段在 y = 1 2 y=\frac12 y = 2 1 处接上。
两个单位圆,圆心 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 和 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 。
② (Ⅰ) 横着切:圆盘。 V = π ∫ − 1 1 / 2 ( 1 − y 2 ) d y + π ∫ 1 / 2 2 ( 2 y − y 2 ) d y = 9 π 8 + 9 π 8 = 9 π 4 V=\pi\int_{-1}^{1/2}(1-y^2)\dy+\pi\int_{1/2}^2(2y-y^2)\dy=\dfrac{9\pi}8+\dfrac{9\pi}8=\dfrac{9\pi}4 V = π ∫ − 1 1/2 ( 1 − y 2 ) d y + π ∫ 1/2 2 ( 2 y − y 2 ) d y = 8 9 π + 8 9 π = 4 9 π (m³)。
绕 y y y 轴,横截面是半径 x x x 的圆,面积 π x 2 \pi x^2 π x 2 ;两段关于 y = 1 2 y=\frac12 y = 2 1 对称,体积相等。
③ (Ⅱ) 抽水做功。 高度 y y y 处的水层提升到顶部 y = 2 y=2 y = 2 ,距离 2 − y 2-y 2 − y :W = ρ g π [ ∫ − 1 1 / 2 ( 2 − y ) ( 1 − y 2 ) d y + ∫ 1 / 2 2 ( 2 − y ) ( 2 y − y 2 ) d y ] = ρ g π ( 459 192 + 189 192 ) = 27 8 π ρ g W=\rho g\pi\Big[\int_{-1}^{1/2}(2-y)(1-y^2)\dy+\int_{1/2}^2(2-y)(2y-y^2)\dy\Big]=\rho g\pi\Big(\dfrac{459}{192}+\dfrac{189}{192}\Big)=\dfrac{27}8\pi\rho g W = ρ g π [ ∫ − 1 1/2 ( 2 − y ) ( 1 − y 2 ) d y + ∫ 1/2 2 ( 2 − y ) ( 2 y − y 2 ) d y ] = ρ g π ( 192 459 + 192 189 ) = 8 27 π ρ g 。
第一段展开 ( 2 − y ) ( 1 − y 2 ) = 2 − y − 2 y 2 + y 3 (2-y)(1-y^2)=2-y-2y^2+y^3 ( 2 − y ) ( 1 − y 2 ) = 2 − y − 2 y 2 + y 3 ,原函数 2 y − y 2 2 − 2 y 3 3 + y 4 4 2y-\frac{y^2}2-\frac{2y^3}3+\frac{y^4}4 2 y − 2 y 2 − 3 2 y 3 + 4 y 4 ,代 1 2 \frac12 2 1 得 155 192 \frac{155}{192} 192 155 、代 − 1 -1 − 1 得 − 304 192 -\frac{304}{192} − 192 304 ,相减 459 192 \frac{459}{192} 192 459 ;第二段展开 ( 2 − y ) ( 2 y − y 2 ) = 4 y − 4 y 2 + y 3 (2-y)(2y-y^2)=4y-4y^2+y^3 ( 2 − y ) ( 2 y − y 2 ) = 4 y − 4 y 2 + y 3 ,原函数 2 y 2 − 4 y 3 3 + y 4 4 2y^2-\frac{4y^3}3+\frac{y^4}4 2 y 2 − 3 4 y 3 + 4 y 4 ,代 2 得 256 192 \frac{256}{192} 192 256 、代 1 2 \frac12 2 1 得 67 192 \frac{67}{192} 192 67 ,相减 189 192 \frac{189}{192} 192 189 。两段相加 648 192 = 27 8 \frac{648}{192}=\frac{27}8 192 648 = 8 27 。水的密度 ρ = 10 3 \rho=10^3 ρ = 1 0 3 kg/m³,长度单位是米,功的单位是焦耳(J)。
答案:(Ⅰ) 9 π 4 \frac{9\pi}4 4 9 π m³;(Ⅱ) 27 × 10 3 8 π g \frac{27\times10^3}8\pi g 8 27 × 1 0 3 π g J
例 7.30 2020 数二(12)
斜边长为
2 a 2a 2 a 的等腰直角三角形平板铅直地沉没在水中,且斜边与水面相齐,设重力加速度为
g g g ,水密度为
ρ \rho ρ ,则该平板一侧所受的水压力为 ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 建坐标、写宽度。 y y y 轴向下,水面 y = 0 y=0 y = 0 。三角形直角顶点在深度 a a a 处,深度 y y y 处的宽度 2 ( a − y ) 2(a-y) 2 ( a − y ) 。
斜边 2 a 2a 2 a ,直角顶点到斜边的距离是 a a a ;宽度随深度线性减小到 0。
② 积分。 P = ∫ 0 a ρ g y ⋅ 2 ( a − y ) d y = 2 ρ g ( a 3 2 − a 3 3 ) = 1 3 ρ g a 3 P=\int_0^a\rho g\,y\cdot2(a-y)\dy=2\rho g\Big(\dfrac{a^3}2-\dfrac{a^3}3\Big)=\dfrac13\rho ga^3 P = ∫ 0 a ρ g y ⋅ 2 ( a − y ) d y = 2 ρ g ( 2 a 3 − 3 a 3 ) = 3 1 ρ g a 3 。
压强 ρ g y \rho gy ρ g y × 窄带面积 2 ( a − y ) d y 2(a-y)\dy 2 ( a − y ) d y 。
答案:1 3 ρ g a 3 \frac13\rho ga^3 3 1 ρ g a 3
例 7.31 2025 数二(6) 李林 第六章 §5 例 10 · p162
设单位质点
P , Q P,Q P , Q 分别位于点
( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 和
( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 处,
P P P 从点
( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 出发沿
x x x 轴正向移动,记
G G G 为引力常量,则当质点
P P P 移动到点
( l , 0 ) (l,0) ( l , 0 ) 时,克服质点
Q Q Q 的引力所做的功为( )
(A)
∫ 0 l G x 2 + 1 d x \int_0^l\dfrac G{x^2+1}\dx ∫ 0 l x 2 + 1 G d x (B)
∫ 0 l G x ( x 2 + 1 ) 3 / 2 d x \int_0^l\dfrac{Gx}{(x^2+1)^{3/2}}\dx ∫ 0 l ( x 2 + 1 ) 3/2 G x d x (C)
∫ 0 l G ( x 2 + 1 ) 3 / 2 d x \int_0^l\dfrac G{(x^2+1)^{3/2}}\dx ∫ 0 l ( x 2 + 1 ) 3/2 G d x (D)
∫ 0 l G ( x + 1 ) ( x 2 + 1 ) 3 / 2 d x \int_0^l\dfrac{G(x+1)}{(x^2+1)^{3/2}}\dx ∫ 0 l ( x 2 + 1 ) 3/2 G ( x + 1 ) d x
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 引力大小与方向。 P P P 在 ( x , 0 ) (x,0) ( x , 0 ) 时,引力大小 G x 2 + 1 \dfrac G{x^2+1} x 2 + 1 G ,方向指向 Q Q Q ,与 x x x 轴负方向的夹角余弦是 x x 2 + 1 \dfrac x{\sqrt{x^2+1}} x 2 + 1 x 。
万有引力,两个单位质点。
② 做功只算沿运动方向的分量。 引力沿 x x x 轴的分量大小 G x 2 + 1 ⋅ x x 2 + 1 = G x ( x 2 + 1 ) 3 / 2 \dfrac G{x^2+1}\cdot\dfrac x{\sqrt{x^2+1}}=\dfrac{Gx}{(x^2+1)^{3/2}} x 2 + 1 G ⋅ x 2 + 1 x = ( x 2 + 1 ) 3/2 G x ,指向 x x x 负方向;克服它做功 W = ∫ 0 l G x ( x 2 + 1 ) 3 / 2 d x W=\int_0^l\dfrac{Gx}{(x^2+1)^{3/2}}\dx W = ∫ 0 l ( x 2 + 1 ) 3/2 G x d x ,所以选(B)。
引力是向量,只有与位移同方向的分量做功。
答案:B
例 7.32 2026 数二(4)
线密度为 1 的线段位于
( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 和
( 1 , 0 ) (1,0) ( 1 , 0 ) 之间,质量为
m m m 的质点在
( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) 点,求质点对线段的引力( )
(A)
∫ 0 1 2 G m x ( 1 + x 2 ) 1 / 2 d x \int_0^1\dfrac{2Gmx}{(1+x^2)^{1/2}}\dx ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) 1/2 2 G m x d x (B)
∫ 0 1 2 G m ( 1 + x 2 ) 1 / 2 d x \int_0^1\dfrac{2Gm}{(1+x^2)^{1/2}}\dx ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) 1/2 2 G m d x (C)
∫ 0 1 2 G m x ( 1 + x 2 ) 3 / 2 d x \int_0^1\dfrac{2Gmx}{(1+x^2)^{3/2}}\dx ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) 3/2 2 G m x d x (D)
∫ 0 1 2 G m ( 1 + x 2 ) 3 / 2 d x \int_0^1\dfrac{2Gm}{(1+x^2)^{3/2}}\dx ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) 3/2 2 G m d x
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 取一小段 [ x , x + d x ] [x,x+\dx] [ x , x + d x ] 。 质量 d x \dx d x ,到质点的距离 1 + x 2 \sqrt{1+x^2} 1 + x 2 ,引力大小 G m d x 1 + x 2 \dfrac{Gm\dx}{1+x^2} 1 + x 2 G m d x 。
线密度为 1,所以长 d x \dx d x 的小段质量就是 d x \dx d x 。
② 分解、用对称性。 水平分量左右对称抵消;竖直分量乘 cos α = 1 1 + x 2 \cos\alpha=\dfrac1{\sqrt{1+x^2}} cos α = 1 + x 2 1 :d F y = G m d x ( 1 + x 2 ) 3 / 2 \dd F_y=\dfrac{Gm\dx}{(1+x^2)^{3/2}} d F y = ( 1 + x 2 ) 3/2 G m d x 。
( x , 0 ) (x,0) ( x , 0 ) 与 ( − x , 0 ) (-x,0) ( − x , 0 ) 两小段的水平分量大小相等、方向相反。
③ 积分。 F = ∫ − 1 1 G m ( 1 + x 2 ) 3 / 2 d x = ∫ 0 1 2 G m ( 1 + x 2 ) 3 / 2 d x F=\int_{-1}^1\dfrac{Gm}{(1+x^2)^{3/2}}\dx=\int_0^1\dfrac{2Gm}{(1+x^2)^{3/2}}\dx F = ∫ − 1 1 ( 1 + x 2 ) 3/2 G m d x = ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) 3/2 2 G m d x ,所以选(D)。
被积函数是偶函数,对称区间上的积分等于 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上的两倍。
答案:D
7.7 小结
题目里的说法 换成什么 例子
两条曲线围成的面积 上减下对 x x x 积分,或右减左对 y y y 积分 例 7.2 、例 7.7
过某点作切线再围图形 设切点,用“切线过该点”定切点 例 7.2 、例 7.16
无界区域的面积、体积 反常积分 例 7.3 、例 7.12
面积、体积含参数,求最值 写成参数的函数,变限积分求导 例 7.4 、例 7.14
面积随动点变化的速率 面积写成动点坐标的函数,链式法则 例 7.5
极坐标、参数方程的面积 1 2 ∫ r 2 d θ \frac12\int r^2\dth 2 1 ∫ r 2 d θ ;∫ y x ′ ( t ) d t \int y\,x'(t)\dt ∫ y x ′ ( t ) d t 例 7.7
绕 x x x 轴 圆盘(垫圈)π ∫ ( y 上 2 − y 下 2 ) d x \pi\int(y_上^2-y_下^2)\dx π ∫ ( y 上 2 − y 下 2 ) d x 例 7.11 、例 7.13
绕 y y y 轴 柱壳 2 π ∫ x ( y 上 − y 下 ) d x 2\pi\int x(y_上-y_下)\dx 2 π ∫ x ( y 上 − y 下 ) d x 例 7.10 、例 7.8
绕 x = k x=k x = k 半径 = 到 x = k x=k x = k 的距离 例 7.16
弧长 1 + y ′ 2 \sqrt{1+y'^2} 1 + y ′2 、x ′ 2 + y ′ 2 \sqrt{x'^2+y'^2} x ′2 + y ′2 、r 2 + r ′ 2 \sqrt{r^2+r'^2} r 2 + r ′2 ,根号多半能开例 7.18 、例 7.22
旋转曲面面积 2 π ∫ y d s 2\pi\int y\,\dd s 2 π ∫ y d s 例 7.23 、例 7.24
截面已知、柱体 ∫ A ( x ) d x \int A(x)\dx ∫ A ( x ) d x ;底面积 × 长例 7.25 、例 7.26
抽水做功 每层水重 × 提升距离 例 7.27 、例 7.29
水压力 ρ g × \rho g\times ρ g × 深度 × 宽度 dy y y 例 7.30
引力、克服引力做功 分解,对称抵消;只算沿位移的分量 例 7.31 、例 7.32
学完了,标记这一部分
第 8 部分
积分等式与不等式
积分证明题的三件武器:积分中值定理、单调性(辅助函数)、泰勒公式与罗尔定理;最后是积分与数列的结合。这一部分是数一近年的压轴题。
考试要求(与大纲的关系)
大纲没有单列“积分证明”,它是第六章第 1 条(定积分的性质、积分中值定理)与第二章微分中值定理、泰勒公式的综合。李林讲义把它放在第六章第三节“积分不等式与积分等式”(p144—151),归纳为三种方法:单调性(辅助函数)、积分法(分部、换元)、微分中值定理(含泰勒) 。
数一近年的压轴解答题:2022(20)、2024(19) 都是泰勒公式证积分不等式(五星难度),2026(20) 是罗尔定理;2010(17)、2011(18) 则是“积分比大小 + 数列极限”。
8.1 积分中值定理与估值:把积分变成一个函数值
大白话:积分中值定理说 ∫ a b f = f ( ξ ) ( b − a ) \int_a^bf=f(\xi)(b-a) ∫ a b f = f ( ξ ) ( b − a ) ——一个积分可以换成“某点的函数值乘长度”,积分号就没了 。证明题里它常用在第一步:把条件里的积分换成函数值,再用罗尔、拉格朗日。估值(夹在最小、最大值之间)则用来做积分的不等式和夹逼。
x y O s (x )y =2x /πnπ ≤x <(n +1)π 时 2n ≤s (x )<2(n +1)π 2π 3π 4π 2 4 6 8 s ( x ) = ∫ 0 x ∣ cos t ∣ d t s(x)=\int_0^x|\cos t|\dt s ( x ) = ∫ 0 x ∣ cos t ∣ d t 每过一个周期增加 2,被夹在两串台阶之间;s ( x ) x \frac{s(x)}x x s ( x ) 被夹向 2 π \frac2\pi π 2 。
三个工具
积分中值定理:f f f 连续 ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ a b f = f ( ξ ) ( b − a ) \int_a^bf=f(\xi)(b-a) ∫ a b f = f ( ξ ) ( b − a ) ,ξ ∈ ( a , b ) \xi\in(a,b) ξ ∈ ( a , b ) 。
推广:g g g 不变号 ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ a b f g = f ( ξ ) ∫ a b g \int_a^bfg=f(\xi)\int_a^bg ∫ a b f g = f ( ξ ) ∫ a b g 。
估值 + 拉格朗日:f ( a ) = 0 f(a)=0 f ( a ) = 0 时 ∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ′ ( η ) ∣ ∣ x − a ∣ ≤ M ∣ x − a ∣ |f(x)|=|f'(\eta)||x-a|\le M|x-a| ∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ′ ( η ) ∣∣ x − a ∣ ≤ M ∣ x − a ∣ ,积分就能估出上界。
方法卡 · 中值定理处理积分
什么时候用
条件或结论里有
∫ a b f \int_a^bf ∫ a b f ,要把它和函数值联系起来;或者要估计积分的上界。
步骤
用积分中值定理把 ∫ a b f \int_a^bf ∫ a b f 换成 f ( ξ ) ( b − a ) f(\xi)(b-a) f ( ξ ) ( b − a ) 。
估界:先用拉格朗日(或已知的最值)估 ∣ f ( x ) ∣ |f(x)| ∣ f ( x ) ∣ ,再积分。
求含积分的极限:放缩成两个能算的量,夹逼。
最容易错
把
ξ \xi ξ 当成与积分区间无关的常数;用中值定理时忘了要求
f f f 连续。
例 8.1 李林 第六章 §3 例 7 · p148
设
s ( x ) = ∫ 0 x ∣ cos t ∣ d t s(x)=\int_0^x|\cos t|\dt s ( x ) = ∫ 0 x ∣ cos t ∣ d t 。(1)证明:当
n π ≤ x < ( n + 1 ) π n\pi\le x<(n+1)\pi nπ ≤ x < ( n + 1 ) π 时,
2 n ≤ s ( x ) < 2 ( n + 1 ) 2n\le s(x)<2(n+1) 2 n ≤ s ( x ) < 2 ( n + 1 ) ;(2)求
lim x → + ∞ s ( x ) x \lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{s(x)}x x → + ∞ lim x s ( x ) 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 用单调性和周期。 ∣ cos t ∣ ≥ 0 |\cos t|\ge0 ∣ cos t ∣ ≥ 0 ,s s s 单调不减;∫ 0 π ∣ cos t ∣ d t = 2 \int_0^\pi|\cos t|\dt=2 ∫ 0 π ∣ cos t ∣ d t = 2 ,周期 π \pi π ,所以 s ( n π ) = 2 n s(n\pi)=2n s ( nπ ) = 2 n 。于是 2 n = s ( n π ) ≤ s ( x ) < s ( ( n + 1 ) π ) = 2 ( n + 1 ) 2n=s(n\pi)\le s(x)<s((n+1)\pi)=2(n+1) 2 n = s ( nπ ) ≤ s ( x ) < s (( n + 1 ) π ) = 2 ( n + 1 ) 。
被积函数非负,上限越大积分越大;右边严格小于是因为 ∣ cos t ∣ |\cos t| ∣ cos t ∣ 在 [ x , ( n + 1 ) π ] [x,(n+1)\pi] [ x , ( n + 1 ) π ] 上不恒为 0。
② (2) 除以 x x x 夹逼。 2 n ( n + 1 ) π < s ( x ) x < 2 ( n + 1 ) n π \dfrac{2n}{(n+1)\pi}<\dfrac{s(x)}x<\dfrac{2(n+1)}{n\pi} ( n + 1 ) π 2 n < x s ( x ) < nπ 2 ( n + 1 ) ,x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时 n → ∞ n\to\infty n → ∞ ,两边都趋于 2 π \dfrac2\pi π 2 。
n π ≤ x < ( n + 1 ) π n\pi\le x<(n+1)\pi nπ ≤ x < ( n + 1 ) π 给出 x x x 的上下界,分子分母各取对自己有利的一边。
答案:(1) 证明题。思路:s ( x ) s(x) s ( x ) 单调不减,∣ cos t ∣ |\cos t| ∣ cos t ∣ 以 π \pi π 为周期、一个周期上积分为 2,所以 s ( n π ) = 2 n s(n\pi)=2n s ( nπ ) = 2 n ,s ( x ) s(x) s ( x ) 夹在 s ( n π ) s(n\pi) s ( nπ ) 与 s ( ( n + 1 ) π ) s((n+1)\pi) s (( n + 1 ) π ) 之间;(2) 2 π \frac2\pi π 2
例 8.2 李林 第六章 §3 例 6 · p147
(1)设
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上有连续导数,
f ( 0 ) = f ( 1 ) = 0 f(0)=f(1)=0 f ( 0 ) = f ( 1 ) = 0 ,
M = max ∣ f ′ ( x ) ∣ M=\max|f'(x)| M = max ∣ f ′ ( x ) ∣ ,证明
∣ ∫ 0 1 f ( x ) d x ∣ ≤ M 4 \left|\int_0^1f(x)\dx\right|\le\dfrac M4 ∫ 0 1 f ( x ) d x ≤ 4 M 。(2)求
lim n → ∞ ∫ n n + 2 sin x x d x \lim\limits_{n\to\infty}\int_n^{n+2}\dfrac{\sin x}x\dx n → ∞ lim ∫ n n + 2 x sin x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 两头各用一次拉格朗日。 x ∈ [ 0 , 1 2 ] x\in[0,\frac12] x ∈ [ 0 , 2 1 ] :∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) − f ( 0 ) ∣ ≤ M x |f(x)|=|f(x)-f(0)|\le Mx ∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) − f ( 0 ) ∣ ≤ M x ;x ∈ [ 1 2 , 1 ] x\in[\frac12,1] x ∈ [ 2 1 , 1 ] :∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ( 1 ) − f ( x ) ∣ ≤ M ( 1 − x ) |f(x)|=|f(1)-f(x)|\le M(1-x) ∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ( 1 ) − f ( x ) ∣ ≤ M ( 1 − x ) 。
离哪个端点近就从哪个端点出发,估出来的界最小。
② (1) 积分。 ∣ ∫ 0 1 f ∣ ≤ ∫ 0 1 / 2 M x d x + ∫ 1 / 2 1 M ( 1 − x ) d x = M 8 + M 8 = M 4 \left|\int_0^1f\right|\le\int_0^{1/2}Mx\dx+\int_{1/2}^1M(1-x)\dx=\dfrac M8+\dfrac M8=\dfrac M4 ∫ 0 1 f ≤ ∫ 0 1/2 M x d x + ∫ 1/2 1 M ( 1 − x ) d x = 8 M + 8 M = 4 M 。
积分的绝对值不超过绝对值的积分:∣ ∫ f ∣ ≤ ∫ ∣ f ∣ \left|\int f\right|\le\int|f| ∫ f ≤ ∫ ∣ f ∣ ;再把上一步的估计代进去:左半 ∣ f ( x ) ∣ ≤ M x |f(x)|\le Mx ∣ f ( x ) ∣ ≤ M x ,右半 ∣ f ( x ) ∣ ≤ M ( 1 − x ) |f(x)|\le M(1-x) ∣ f ( x ) ∣ ≤ M ( 1 − x ) 。
③ (2) 积分中值定理。 ∫ n n + 2 sin x x d x = 2 ⋅ sin ξ n ξ n \int_n^{n+2}\dfrac{\sin x}x\dx=2\cdot\dfrac{\sin\xi_n}{\xi_n} ∫ n n + 2 x sin x d x = 2 ⋅ ξ n sin ξ n ,ξ n ∈ ( n , n + 2 ) \xi_n\in(n,n+2) ξ n ∈ ( n , n + 2 ) ,∣ 2 sin ξ n ξ n ∣ ≤ 2 n → 0 \left|\dfrac{2\sin\xi_n}{\xi_n}\right|\le\dfrac2n\to0 ξ n 2 sin ξ n ≤ n 2 → 0 。
积分算不出来,换成函数值后很容易估。
答案:(1) 证明题。思路:两半区间各用一次拉格朗日,得 ∣ f ( x ) ∣ ≤ M x |f(x)|\le Mx ∣ f ( x ) ∣ ≤ M x 与 ∣ f ( x ) ∣ ≤ M ( 1 − x ) |f(x)|\le M(1-x) ∣ f ( x ) ∣ ≤ M ( 1 − x ) ,分段积分相加为 M 8 + M 8 \frac M8+\frac M8 8 M + 8 M ;(2) 0
8.2 单调性法:把上限换成 x x x ,构造辅助函数
大白话:要证 A ( b ) ≥ B ( b ) A(b)\ge B(b) A ( b ) ≥ B ( b ) 这种积分不等式,把其中一个端点 b b b 换成变量 x x x ,令 F ( x ) = A ( x ) − B ( x ) F(x)=A(x)-B(x) F ( x ) = A ( x ) − B ( x ) ;验证 F ( a ) = 0 F(a)=0 F ( a ) = 0 ,再证 F ′ ( x ) ≥ 0 F'(x)\ge0 F ′ ( x ) ≥ 0 ,就得到 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 F(b)\ge F(a)=0 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 。变限积分求导把积分号去掉,剩下的不等式往往一眼就能判断。
x y O [0,a ] 上的平均值 [0,b ] 上的平均值 f 递减a b f f f 递减时,区间越往右拉长,平均值越小:1 b ∫ 0 b f ≤ 1 a ∫ 0 a f \frac1b\int_0^bf\le\frac1a\int_0^af b 1 ∫ 0 b f ≤ a 1 ∫ 0 a f 。
辅助函数法的步骤
把不等式移成“左边 − 右边 ≥ 0 \ge0 ≥ 0 ”。
选一个端点(通常是上限 b b b )换成 x x x ,得到 F ( x ) F(x) F ( x ) ;另一个端点处 F = 0 F=0 F = 0 。
求 F ′ ( x ) F'(x) F ′ ( x ) ,用题目条件(单调、非负等)判断符号。
单调性得 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 F(b)\ge F(a)=0 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 。
方法卡 · 积分不等式的单调性证法
什么时候用
不等式两边都是积分(或积分与函数值),题目给了
f f f 的单调性、非负性等“全局”条件,没有给二阶导数。
步骤
把 b b b 换成 x x x ,构造 F ( x ) F(x) F ( x ) 。
求导:变限积分求导,被积函数含 x x x 的先提出。
F ′ F' F ′ 里常出现“f ( x ) − f ( ξ ) f(x)-f(\xi) f ( x ) − f ( ξ ) ”,用单调性判符号(必要时对 ∫ a x f \int_a^xf ∫ a x f 用积分中值定理)。
最容易错
换成
x x x 的端点选错,
F ( a ) F(a) F ( a ) 不为 0;忘了
F F F 在起点的值。
例 8.3 2014 数二(19)
设函数
f ( x ) , g ( x ) f(x),g(x) f ( x ) , g ( x ) 在区间
[ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上连续,且
f ( x ) f(x) f ( x ) 单调增加,
0 ≤ g ( x ) ≤ 1 0\le g(x)\le1 0 ≤ g ( x ) ≤ 1 。证明:(Ⅰ)
0 ≤ ∫ a x g ( t ) d t ≤ x − a 0\le\int_a^xg(t)\dt\le x-a 0 ≤ ∫ a x g ( t ) d t ≤ x − a ,
x ∈ [ a , b ] x\in[a,b] x ∈ [ a , b ] ;(Ⅱ)
∫ a a + ∫ a b g ( t ) d t f ( x ) d x ≤ ∫ a b f ( x ) g ( x ) d x \int_a^{a+\int_a^bg(t)\dt}f(x)\dx\le\int_a^bf(x)g(x)\dx ∫ a a + ∫ a b g ( t ) d t f ( x ) d x ≤ ∫ a b f ( x ) g ( x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 积分保号。 0 ≤ g ≤ 1 0\le g\le1 0 ≤ g ≤ 1 ,在 [ a , x ] [a,x] [ a , x ] 上积分:0 ≤ ∫ a x g ≤ ∫ a x 1 d t = x − a 0\le\int_a^xg\le\int_a^x1\dt=x-a 0 ≤ ∫ a x g ≤ ∫ a x 1 d t = x − a 。
被积函数夹在 0 和 1 之间,由积分的保号性(3.3 节),积分就夹在 ∫ a x 0 = 0 \int_a^x0=0 ∫ a x 0 = 0 和 ∫ a x 1 = x − a \int_a^x1=x-a ∫ a x 1 = x − a 之间。
② (Ⅱ) 把 b b b 换成 u u u 。 令 F ( u ) = ∫ a u f ( x ) g ( x ) d x − ∫ a a + ∫ a u g ( t ) d t f ( x ) d x F(u)=\int_a^uf(x)g(x)\dx-\int_a^{a+\int_a^ug(t)\dt}f(x)\dx F ( u ) = ∫ a u f ( x ) g ( x ) d x − ∫ a a + ∫ a u g ( t ) d t f ( x ) d x ,u ∈ [ a , b ] u\in[a,b] u ∈ [ a , b ] ,F ( a ) = 0 − 0 = 0 F(a)=0-0=0 F ( a ) = 0 − 0 = 0 。
构造 F F F 的目的:只要证明 F F F 单调增加,就有 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 F(b)\ge F(a)=0 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 ,这正是要证的不等式。
③ 求导。 F ′ ( u ) = f ( u ) g ( u ) − f ( a + ∫ a u g ) ⋅ g ( u ) = g ( u ) [ f ( u ) − f ( a + ∫ a u g ) ] F'(u)=f(u)g(u)-f\Big(a+\int_a^ug\Big)\cdot g(u)=g(u)\Big[f(u)-f\Big(a+\int_a^ug\Big)\Big] F ′ ( u ) = f ( u ) g ( u ) − f ( a + ∫ a u g ) ⋅ g ( u ) = g ( u ) [ f ( u ) − f ( a + ∫ a u g ) ] 。
第二项上限 a + ∫ a u g a+\int_a^ug a + ∫ a u g 的导数是 g ( u ) g(u) g ( u ) 。
④ 判断符号。 由(Ⅰ)a + ∫ a u g ≤ u a+\int_a^ug\le u a + ∫ a u g ≤ u ,f f f 单调增加,所以 f ( u ) − f ( a + ∫ a u g ) ≥ 0 f(u)-f\big(a+\int_a^ug\big)\ge0 f ( u ) − f ( a + ∫ a u g ) ≥ 0 ;又 g ≥ 0 g\ge0 g ≥ 0 ,故 F ′ ≥ 0 F'\ge0 F ′ ≥ 0 ,F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 F(b)\ge F(a)=0 F ( b ) ≥ F ( a ) = 0 。
第(Ⅰ)问就是为第(Ⅱ)问准备的。
答案:证明题。思路:(Ⅰ)积分保号性;(Ⅱ)把 b b b 换成变量 u u u 作差得 F ( u ) F(u) F ( u ) ,F ( a ) = 0 F(a)=0 F ( a ) = 0 ,由(Ⅰ)和 f f f 递增得 F ′ ≥ 0 F'\ge0 F ′ ≥ 0 ,所以 F ( b ) ≥ 0 F(b)\ge0 F ( b ) ≥ 0 。
例 8.4 李林 第六章 §3 例 1 · p144
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 上连续且单调减少,
0 < a < b 0<a<b 0 < a < b ,证明:
a ∫ 0 b f ( x ) d x ≤ b ∫ 0 a f ( x ) d x a\int_0^bf(x)\dx\le b\int_0^af(x)\dx a ∫ 0 b f ( x ) d x ≤ b ∫ 0 a f ( x ) d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 把 b b b 换成 x x x 。 F ( x ) = a ∫ 0 x f ( t ) d t − x ∫ 0 a f ( t ) d t F(x)=a\int_0^xf(t)\dt-x\int_0^af(t)\dt F ( x ) = a ∫ 0 x f ( t ) d t − x ∫ 0 a f ( t ) d t (x ≥ a x\ge a x ≥ a ),F ( a ) = 0 F(a)=0 F ( a ) = 0 。
要证的不等式等价于 F ( b ) ≤ 0 F(b)\le0 F ( b ) ≤ 0 ;而 F ( a ) = 0 F(a)=0 F ( a ) = 0 ,所以只要证明 F F F 单调减少。
② 求导。 F ′ ( x ) = a f ( x ) − ∫ 0 a f ( t ) d t = a f ( x ) − a f ( ξ ) = a [ f ( x ) − f ( ξ ) ] F'(x)=af(x)-\int_0^af(t)\dt=af(x)-af(\xi)=a\big[f(x)-f(\xi)\big] F ′ ( x ) = a f ( x ) − ∫ 0 a f ( t ) d t = a f ( x ) − a f ( ξ ) = a [ f ( x ) − f ( ξ ) ] ,ξ ∈ ( 0 , a ) \xi\in(0,a) ξ ∈ ( 0 , a ) 。
对 ∫ 0 a f \int_0^af ∫ 0 a f 用积分中值定理。
③ 判断符号。 x ≥ a > ξ x\ge a>\xi x ≥ a > ξ ,f f f 单调减少,f ( x ) ≤ f ( ξ ) f(x)\le f(\xi) f ( x ) ≤ f ( ξ ) ,F ′ ≤ 0 F'\le0 F ′ ≤ 0 ,所以 F ( b ) ≤ F ( a ) = 0 F(b)\le F(a)=0 F ( b ) ≤ F ( a ) = 0 。
图上看:递减函数的平均值随区间拉长而减小。另一个证法是换元 x = b a t x=\frac bat x = a b t 把两个积分化到同一区间 [ 0 , a ] [0,a] [ 0 , a ] 再比较。
答案:证明题。思路:把 b b b 换成 x x x 作差,F ( a ) = 0 F(a)=0 F ( a ) = 0 ;求导后对 ∫ 0 a f \int_0^af ∫ 0 a f 用积分中值定理,由 f f f 递减得 F ′ ≤ 0 F'\le0 F ′ ≤ 0 ,所以 F ( b ) ≤ 0 F(b)\le0 F ( b ) ≤ 0 。
8.3 泰勒公式法:有二阶导数时
大白话:题目给了二阶导数的条件(f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 、∣ f ′ ′ ∣ ≤ M |f''|\le M ∣ f ′′ ∣ ≤ M ),结论里有积分和几个点的函数值,就在一个“好点”处泰勒展开到二阶,然后两边积分 :一次项积分后常常消失,余项用 f ′ ′ f'' f ′′ 的条件估计。好点一般是区间中点或端点。
x y O f (凹)中点处的切线 a (a +b )/2 b 切线下的梯形面积 = (b −a )f ((a +b )/2) f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 时曲线在中点切线的上方;切线下的面积恰好是 ( b − a ) f ( a + b 2 ) (b-a)f\big(\frac{a+b}2\big) ( b − a ) f ( 2 a + b ) ,所以 ∫ a b f ≥ ( b − a ) f ( a + b 2 ) \int_a^bf\ge(b-a)f\big(\frac{a+b}2\big) ∫ a b f ≥ ( b − a ) f ( 2 a + b ) 。
展开点怎么选
结论里有 f ( a + b 2 ) f\big(\frac{a+b}2\big) f ( 2 a + b ) :在中点展开,∫ a b ( x − a + b 2 ) d x = 0 \int_a^b\big(x-\frac{a+b}2\big)\dx=0 ∫ a b ( x − 2 a + b ) d x = 0 让一次项消失。
结论里有 f ( a ) f(a) f ( a ) 、f ( b ) f(b) f ( b ) :在 x x x 处展开,分别写出 f ( a ) f(a) f ( a ) 、f ( b ) f(b) f ( b ) ,再加权相加消去 f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) 。
余项积分:∫ 0 1 x ( 1 − x ) d x = 1 6 \int_0^1x(1-x)\dx=\frac16 ∫ 0 1 x ( 1 − x ) d x = 6 1 ,∫ a b ( x − a + b 2 ) 2 d x = ( b − a ) 3 12 \int_a^b\big(x-\frac{a+b}2\big)^2\dx=\frac{(b-a)^3}{12} ∫ a b ( x − 2 a + b ) 2 d x = 12 ( b − a ) 3 。
方法卡 · 泰勒公式证积分不等式
什么时候用
条件有
f ′ ′ f'' f ′′ (正负或绝对值上界),结论是积分与函数值的不等式。
步骤
选展开点(中点或变量 x x x ),写到带拉格朗日余项的二阶。
两边积分(或加权相加后再积分),一次项消失。
用 f ′ ′ f'' f ′′ 的条件估计余项。
“充要条件”题:必要性用反证,在 f ′ ′ < 0 f''<0 f ′′ < 0 的小区间上用同样的展开得到反向不等式。
最容易错
展开点选错,一次项消不掉;余项里的
ξ \xi ξ 依赖于
x x x ,不能提到积分号外(只能用它的范围估计)。
例 8.5 2022 数一(20)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上有二阶连续导数,证明:
f ′ ′ ( x ) ≥ 0 f''(x)\ge0 f ′′ ( x ) ≥ 0 的充分必要条件是对任意不同的实数
a , b a,b a , b ,都有
f ( a + b 2 ) ≤ 1 b − a ∫ a b f ( x ) d x f\Big(\dfrac{a+b}2\Big)\le\dfrac1{b-a}\int_a^bf(x)\dx f ( 2 a + b ) ≤ b − a 1 ∫ a b f ( x ) d x 成立。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 准备:在中点泰勒展开。 记 x 0 = a + b 2 x_0=\frac{a+b}2 x 0 = 2 a + b (不妨 a < b a<b a < b ),f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + f ′ ′ ( ξ ) 2 ( x − x 0 ) 2 f(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\dfrac{f''(\xi)}2(x-x_0)^2 f ( x ) = f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) + 2 f ′′ ( ξ ) ( x − x 0 ) 2 ,ξ \xi ξ 在 x x x 与 x 0 x_0 x 0 之间。
a > b a>b a > b 时不等式两边都不变(交换 a , b a,b a , b ),所以只需考虑 a < b a<b a < b 。题目说“f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 的充分必要条件是不等式成立”,所以要证两个方向:f ′ ′ ≥ 0 ⇒ f''\ge0\Rightarrow f ′′ ≥ 0 ⇒ 不等式(必要性),不等式 ⇒ f ′ ′ ≥ 0 \Rightarrow f''\ge0 ⇒ f ′′ ≥ 0 (充分性)。
② 必要性:f ′ ′ ≥ 0 ⇒ f''\ge0\Rightarrow f ′′ ≥ 0 ⇒ 不等式。 f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 时 f ( x ) ≥ f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) f(x)\ge f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0) f ( x ) ≥ f ( x 0 ) + f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) ,在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上积分:∫ a b f ≥ ( b − a ) f ( x 0 ) + 0 \int_a^bf\ge(b-a)f(x_0)+0 ∫ a b f ≥ ( b − a ) f ( x 0 ) + 0 ,即结论。
∫ a b ( x − x 0 ) d x = 0 \int_a^b(x-x_0)\dx=0 ∫ a b ( x − x 0 ) d x = 0 ,一次项消失;图上就是“曲线在切线上方”。
③ 充分性:不等式 ⇒ f ′ ′ ≥ 0 \Rightarrow f''\ge0 ⇒ f ′′ ≥ 0 ,用反证。 若某点 f ′ ′ ( x 0 ) < 0 f''(x_0)<0 f ′′ ( x 0 ) < 0 ,由连续性,存在 δ > 0 \delta>0 δ > 0 ,在 ( x 0 − δ , x 0 + δ ) (x_0-\delta,x_0+\delta) ( x 0 − δ , x 0 + δ ) 上 f ′ ′ < 0 f''<0 f ′′ < 0 。取 a = x 0 − δ 2 a=x_0-\frac\delta2 a = x 0 − 2 δ ,b = x 0 + δ 2 b=x_0+\frac\delta2 b = x 0 + 2 δ ,同样展开并积分,余项 < 0 <0 < 0 :∫ a b f < ( b − a ) f ( x 0 ) \int_a^bf<(b-a)f(x_0) ∫ a b f < ( b − a ) f ( x 0 ) ,与条件矛盾。
二阶导数连续,负值会“延续”到一个小区间;在这个小区间上用第①步的展开,不等号反向。
答案:证明题。思路:在中点 a + b 2 \frac{a+b}2 2 a + b 泰勒展开到二阶再积分,一次项积分为 0;f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 时余项非负,得不等式;反过来用反证,在 f ′ ′ < 0 f''<0 f ′′ < 0 的小区间上余项为负,矛盾。
例 8.6 2024 数一(19)
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 二阶可导,
f ′ ( 0 ) = f ′ ( 1 ) f'(0)=f'(1) f ′ ( 0 ) = f ′ ( 1 ) ,
∣ f ′ ′ ( x ) ∣ ≤ 1 |f''(x)|\le1 ∣ f ′′ ( x ) ∣ ≤ 1 ,证明:(Ⅰ)当
x ∈ ( 0 , 1 ) x\in(0,1) x ∈ ( 0 , 1 ) 时,
∣ f ( x ) − f ( 0 ) ( 1 − x ) − f ( 1 ) x ∣ ≤ x ( 1 − x ) 2 \big|f(x)-f(0)(1-x)-f(1)x\big|\le\dfrac{x(1-x)}2 f ( x ) − f ( 0 ) ( 1 − x ) − f ( 1 ) x ≤ 2 x ( 1 − x ) ;(Ⅱ)
∣ ∫ 0 1 f ( x ) d x − f ( 0 ) + f ( 1 ) 2 ∣ ≤ 1 12 \left|\int_0^1f(x)\dx-\dfrac{f(0)+f(1)}2\right|\le\dfrac1{12} ∫ 0 1 f ( x ) d x − 2 f ( 0 ) + f ( 1 ) ≤ 12 1 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 在 x x x 处展开,分别到 0 和 1。 f ( 0 ) = f ( x ) − f ′ ( x ) x + f ′ ′ ( ξ 1 ) 2 x 2 f(0)=f(x)-f'(x)x+\dfrac{f''(\xi_1)}2x^2 f ( 0 ) = f ( x ) − f ′ ( x ) x + 2 f ′′ ( ξ 1 ) x 2 ,f ( 1 ) = f ( x ) + f ′ ( x ) ( 1 − x ) + f ′ ′ ( ξ 2 ) 2 ( 1 − x ) 2 f(1)=f(x)+f'(x)(1-x)+\dfrac{f''(\xi_2)}2(1-x)^2 f ( 1 ) = f ( x ) + f ′ ( x ) ( 1 − x ) + 2 f ′′ ( ξ 2 ) ( 1 − x ) 2 。
结论里有 f ( 0 ) f(0) f ( 0 ) 、f ( 1 ) f(1) f ( 1 ) 和 f ( x ) f(x) f ( x ) ,所以在 x x x 处展开,两头各写一个。
② 加权相加消去 f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) 。 第一式乘 ( 1 − x ) (1-x) ( 1 − x ) 、第二式乘 x x x 相加:f ( 0 ) ( 1 − x ) + f ( 1 ) x = f ( x ) + x ( 1 − x ) 2 [ f ′ ′ ( ξ 1 ) x + f ′ ′ ( ξ 2 ) ( 1 − x ) ] f(0)(1-x)+f(1)x=f(x)+\dfrac{x(1-x)}2\big[f''(\xi_1)x+f''(\xi_2)(1-x)\big] f ( 0 ) ( 1 − x ) + f ( 1 ) x = f ( x ) + 2 x ( 1 − x ) [ f ′′ ( ξ 1 ) x + f ′′ ( ξ 2 ) ( 1 − x ) ] 。
− f ′ ( x ) x ( 1 − x ) + f ′ ( x ) ( 1 − x ) x = 0 -f'(x)x(1-x)+f'(x)(1-x)x=0 − f ′ ( x ) x ( 1 − x ) + f ′ ( x ) ( 1 − x ) x = 0 ,权重正好让一次项抵消。
③ (Ⅰ) 估计。 ∣ f ′ ′ ∣ ≤ 1 |f''|\le1 ∣ f ′′ ∣ ≤ 1 ,方括号的绝对值 ≤ x + ( 1 − x ) = 1 \le x+(1-x)=1 ≤ x + ( 1 − x ) = 1 ,所以 ∣ f ( x ) − f ( 0 ) ( 1 − x ) − f ( 1 ) x ∣ ≤ x ( 1 − x ) 2 \big|f(x)-f(0)(1-x)-f(1)x\big|\le\dfrac{x(1-x)}2 f ( x ) − f ( 0 ) ( 1 − x ) − f ( 1 ) x ≤ 2 x ( 1 − x ) 。
三角不等式:两项的绝对值分别不超过 x x x 和 1 − x 1-x 1 − x 。注意 ξ 1 , ξ 2 \xi_1,\xi_2 ξ 1 , ξ 2 随 x x x 变化,不能当常数提到积分号外面;这里只用到它们满足 ∣ f ′ ′ ( ξ ) ∣ ≤ 1 |f''(\xi)|\le1 ∣ f ′′ ( ξ ) ∣ ≤ 1 ,所以能对每个 x x x 统一估计,下一步才能积分。
④ (Ⅱ) 对(Ⅰ)积分。 ∫ 0 1 [ f ( 0 ) ( 1 − x ) + f ( 1 ) x ] d x = f ( 0 ) + f ( 1 ) 2 \int_0^1\big[f(0)(1-x)+f(1)x\big]\dx=\dfrac{f(0)+f(1)}2 ∫ 0 1 [ f ( 0 ) ( 1 − x ) + f ( 1 ) x ] d x = 2 f ( 0 ) + f ( 1 ) ,∫ 0 1 x ( 1 − x ) 2 d x = 1 12 \int_0^1\dfrac{x(1-x)}2\dx=\dfrac1{12} ∫ 0 1 2 x ( 1 − x ) d x = 12 1 ,所以 ∣ ∫ 0 1 f − f ( 0 ) + f ( 1 ) 2 ∣ ≤ ∫ 0 1 ∣ f − f ( 0 ) ( 1 − x ) − f ( 1 ) x ∣ d x ≤ 1 12 \left|\int_0^1f-\dfrac{f(0)+f(1)}2\right|\le\int_0^1\big|f-f(0)(1-x)-f(1)x\big|\dx\le\dfrac1{12} ∫ 0 1 f − 2 f ( 0 ) + f ( 1 ) ≤ ∫ 0 1 f − f ( 0 ) ( 1 − x ) − f ( 1 ) x d x ≤ 12 1 。
(Ⅱ)就是(Ⅰ)的积分;在这个证法里条件 f ′ ( 0 ) = f ′ ( 1 ) f'(0)=f'(1) f ′ ( 0 ) = f ′ ( 1 ) 用不到。
答案:证明题。思路:在 x x x 处展开到 0 和 1,两式分别乘 1 − x 1-x 1 − x 、x x x 相加消掉 f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) ,用 ∣ f ′ ′ ∣ ≤ 1 |f''|\le1 ∣ f ′′ ∣ ≤ 1 估计得(Ⅰ);把(Ⅰ)在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上积分,∫ 0 1 x ( 1 − x ) 2 d x = 1 12 \int_0^1\frac{x(1-x)}2\dx=\frac1{12} ∫ 0 1 2 x ( 1 − x ) d x = 12 1 ,得(Ⅱ)。
例 8.7 李林 第六章 §3 例 13 · p151
设
f ′ ′ f'' f ′′ 在
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上连续,
f ( 0 ) = f ( 1 ) = 0 f(0)=f(1)=0 f ( 0 ) = f ( 1 ) = 0 ,
M = max ∣ f ′ ′ ( x ) ∣ M=\max|f''(x)| M = max ∣ f ′′ ( x ) ∣ 。证明:(1)
∫ 0 1 f ( x ) d x = 1 2 ∫ 0 1 x ( x − 1 ) f ′ ′ ( x ) d x \int_0^1f(x)\dx=\dfrac12\int_0^1x(x-1)f''(x)\dx ∫ 0 1 f ( x ) d x = 2 1 ∫ 0 1 x ( x − 1 ) f ′′ ( x ) d x ;(2)
∣ ∫ 0 1 f ( x ) d x ∣ ≤ M 12 \left|\int_0^1f(x)\dx\right|\le\dfrac M{12} ∫ 0 1 f ( x ) d x ≤ 12 M 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 从右边出发分部两次。 ∫ 0 1 x ( x − 1 ) f ′ ′ d x = [ x ( x − 1 ) f ′ ] 0 1 − ∫ 0 1 ( 2 x − 1 ) f ′ d x = 0 − [ ( 2 x − 1 ) f ] 0 1 + 2 ∫ 0 1 f d x = 2 ∫ 0 1 f d x \int_0^1x(x-1)f''\dx=\big[x(x-1)f'\big]_0^1-\int_0^1(2x-1)f'\dx=0-\big[(2x-1)f\big]_0^1+2\int_0^1f\dx=2\int_0^1f\dx ∫ 0 1 x ( x − 1 ) f ′′ d x = [ x ( x − 1 ) f ′ ] 0 1 − ∫ 0 1 ( 2 x − 1 ) f ′ d x = 0 − [ ( 2 x − 1 ) f ] 0 1 + 2 ∫ 0 1 f d x = 2 ∫ 0 1 f d x 。
边界项:x ( x − 1 ) x(x-1) x ( x − 1 ) 在两端为 0;( 2 x − 1 ) f (2x-1)f ( 2 x − 1 ) f 在两端为 f ( 1 ) = 0 f(1)=0 f ( 1 ) = 0 与 − f ( 0 ) = 0 -f(0)=0 − f ( 0 ) = 0 。
② (2) 估计。 ∣ ∫ 0 1 f ∣ = 1 2 ∣ ∫ 0 1 x ( x − 1 ) f ′ ′ ∣ ≤ M 2 ∫ 0 1 x ( 1 − x ) d x = M 12 \left|\int_0^1f\right|=\dfrac12\left|\int_0^1x(x-1)f''\right|\le\dfrac M2\int_0^1x(1-x)\dx=\dfrac M{12} ∫ 0 1 f = 2 1 ∫ 0 1 x ( x − 1 ) f ′′ ≤ 2 M ∫ 0 1 x ( 1 − x ) d x = 12 M 。
这是“积分法”:用分部积分把 f f f 换成 f ′ ′ f'' f ′′ ,再估计。与 2024 数一(19) 的 1 12 \frac1{12} 12 1 是同一个来源。
答案:证明题。思路:(1)从右边出发分部积分两次,边界项因 x ( x − 1 ) x(x-1) x ( x − 1 ) 或 f f f 在端点为 0 而消失;(2)对(1)取绝对值,用 ∣ f ′ ′ ∣ ≤ M |f''|\le M ∣ f ′′ ∣ ≤ M 和 ∫ 0 1 x ( 1 − x ) d x = 1 6 \int_0^1x(1-x)\dx=\frac16 ∫ 0 1 x ( 1 − x ) d x = 6 1 。
8.4 罗尔定理与零点:“存在 ξ \xi ξ 使……”
大白话:要证“存在 ξ \xi ξ 使某个式子 = 0 =0 = 0 ”,就找一个函数 F F F ,让那个式子恰好是 F ′ F' F ′ ,再找 F F F 的两个相等的函数值(通常是两个零点),用罗尔定理 。积分题里,F F F 往往就是变限积分 ∫ a x f \int_a^xf ∫ a x f 或它和别的函数的组合;要证二阶导数为 0,就先找三个零点,用两次罗尔。
x y O F (x )F ′(x )(缩小画)F ′(ξ 1 )=0 F ′(ξ 2 )=0 −1 1 2026 数一(20) 的具体例子:F F F 有三个零点,罗尔定理给出 F ′ F' F ′ 的两个零点,再用一次罗尔得 F ′ ′ ( ξ ) = 0 F''(\xi)=0 F ′′ ( ξ ) = 0 。
常用构造
结论含 f ( ξ ) f(\xi) f ( ξ ) 且条件含 ∫ f \int f ∫ f :令 F ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t F(x)=\int_a^xf(t)\dt F ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t ,F ′ = f F'=f F ′ = f 。
f ( ξ ) = ( 2 − ξ ) g ( ξ ) f(\xi)=(2-\xi)g(\xi) f ( ξ ) = ( 2 − ξ ) g ( ξ ) 这类:把它写成 [ ( x − 2 ) F ( x ) ] ′ = 0 \big[(x-2)F(x)\big]'=0 [ ( x − 2 ) F ( x ) ] ′ = 0 的形式,F ′ = g F'=g F ′ = g 。
两个函数的比值:柯西中值定理 f ( b ) − f ( a ) g ( b ) − g ( a ) = f ′ ( η ) g ′ ( η ) \dfrac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\dfrac{f'(\eta)}{g'(\eta)} g ( b ) − g ( a ) f ( b ) − f ( a ) = g ′ ( η ) f ′ ( η ) 。
“f ′ ′ ( η ) < c f''(\eta)<c f ′′ ( η ) < c ”:反证,假设 f ′ ′ ≥ c f''\ge c f ′′ ≥ c ,则 f − c 2 x 2 f-\frac c2x^2 f − 2 c x 2 凹,用凹函数在弦下方推矛盾。
什么时候用
结论是“存在
ξ ∈ ( a , b ) \xi\in(a,b) ξ ∈ ( a , b ) 使……”。
步骤
把要证的式子写成“某个函数的导数 = 0”,确定 F F F 。
用条件(积分中值定理、介值定理、已知函数值)找 F F F 的两个相等的值。
罗尔;要二阶导就找三个零点用两次。
结论是不等式(f ′ ′ < c f''<c f ′′ < c )时用反证 + 凹凸性。
最容易错
积分中值定理的
ξ \xi ξ 只在开区间
( a , b ) (a,b) ( a , b ) 内才能保证后面用罗尔时区间不退化;两次罗尔时第二次的区间要取在两个一阶零点之间。
例 8.8 2026 数一(20)
设可导函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 严格单调递增且满足
∫ − 1 1 f ( x ) d x = 0 \int_{-1}^1f(x)\dx=0 ∫ − 1 1 f ( x ) d x = 0 ,记
a = ∫ 0 1 f ( x ) d x a=\int_0^1f(x)\dx a = ∫ 0 1 f ( x ) d x 。(Ⅰ)证明
a > 0 a>0 a > 0 ;(Ⅱ)令
F ( x ) = a ( 1 − x 2 ) + ∫ 1 x f ( t ) d t F(x)=a(1-x^2)+\int_1^xf(t)\dt F ( x ) = a ( 1 − x 2 ) + ∫ 1 x f ( t ) d t ,证明:存在
ξ ∈ ( − 1 , 1 ) \xi\in(-1,1) ξ ∈ ( − 1 , 1 ) ,使得
F ′ ′ ( ξ ) = 0 F''(\xi)=0 F ′′ ( ξ ) = 0 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 比较两半。 0 = ∫ − 1 0 f + ∫ 0 1 f 0=\int_{-1}^0f+\int_0^1f 0 = ∫ − 1 0 f + ∫ 0 1 f ,而 ∫ − 1 0 f ( x ) d x = ∫ 0 1 f ( x − 1 ) d x < ∫ 0 1 f ( x ) d x = a \int_{-1}^0f(x)\dx=\int_0^1f(x-1)\dx<\int_0^1f(x)\dx=a ∫ − 1 0 f ( x ) d x = ∫ 0 1 f ( x − 1 ) d x < ∫ 0 1 f ( x ) d x = a (f f f 严格增,f ( x − 1 ) < f ( x ) f(x-1)<f(x) f ( x − 1 ) < f ( x ) )。所以 0 < a + a = 2 a 0<a+a=2a 0 < a + a = 2 a ,a > 0 a>0 a > 0 。
把左半区间平移到 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] ,同一区间比被积函数。
② (Ⅱ) 找 F F F 的三个零点。 F ( 1 ) = 0 + 0 = 0 F(1)=0+0=0 F ( 1 ) = 0 + 0 = 0 ;F ( − 1 ) = 0 + ∫ 1 − 1 f = − ∫ − 1 1 f = 0 F(-1)=0+\int_1^{-1}f=-\int_{-1}^1f=0 F ( − 1 ) = 0 + ∫ 1 − 1 f = − ∫ − 1 1 f = 0 ;F ( 0 ) = a + ∫ 1 0 f = a − a = 0 F(0)=a+\int_1^0f=a-a=0 F ( 0 ) = a + ∫ 1 0 f = a − a = 0 。
积分限是从 1 到 x x x ,x < 1 x<1 x < 1 时要变号;a a a 的定义正好让 F ( 0 ) = 0 F(0)=0 F ( 0 ) = 0 。
③ 两次罗尔。 F F F 在 [ − 1 , 0 ] [-1,0] [ − 1 , 0 ] 、[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上用罗尔:F ′ ( ξ 1 ) = F ′ ( ξ 2 ) = 0 F'(\xi_1)=F'(\xi_2)=0 F ′ ( ξ 1 ) = F ′ ( ξ 2 ) = 0 ,− 1 < ξ 1 < 0 < ξ 2 < 1 -1<\xi_1<0<\xi_2<1 − 1 < ξ 1 < 0 < ξ 2 < 1 。F ′ ( x ) = − 2 a x + f ( x ) F'(x)=-2ax+f(x) F ′ ( x ) = − 2 a x + f ( x ) 可导,在 [ ξ 1 , ξ 2 ] [\xi_1,\xi_2] [ ξ 1 , ξ 2 ] 上再用罗尔:存在 ξ \xi ξ 使 F ′ ′ ( ξ ) = 0 F''(\xi)=0 F ′′ ( ξ ) = 0 。
f f f 可导,所以 F ′ F' F ′ 可导,第二次罗尔的条件满足。
答案:证明题。思路:(Ⅰ)把左半区间平移到 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] ,f f f 严格增,所以 ∫ − 1 0 f < a \int_{-1}^0f<a ∫ − 1 0 f < a ,再由总积分为 0 得 a > 0 a>0 a > 0 ;(Ⅱ)验证 F ( − 1 ) = F ( 0 ) = F ( 1 ) = 0 F(-1)=F(0)=F(1)=0 F ( − 1 ) = F ( 0 ) = F ( 1 ) = 0 ,用两次罗尔定理得 F ′ ′ ( ξ ) = 0 F''(\xi)=0 F ′′ ( ξ ) = 0 。
例 8.9 2010 数三(19)
设函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , 3 ] [0,3] [ 0 , 3 ] 上连续,在
( 0 , 3 ) (0,3) ( 0 , 3 ) 内存在二阶导数,且
2 f ( 0 ) = ∫ 0 2 f ( x ) d x = f ( 2 ) + f ( 3 ) 2f(0)=\int_0^2f(x)\dx=f(2)+f(3) 2 f ( 0 ) = ∫ 0 2 f ( x ) d x = f ( 2 ) + f ( 3 ) 。(Ⅰ)证明存在
η ∈ ( 0 , 2 ) \eta\in(0,2) η ∈ ( 0 , 2 ) ,使
f ( η ) = f ( 0 ) f(\eta)=f(0) f ( η ) = f ( 0 ) ;(Ⅱ)证明存在
ξ ∈ ( 0 , 3 ) \xi\in(0,3) ξ ∈ ( 0 , 3 ) ,使
f ′ ′ ( ξ ) = 0 f''(\xi)=0 f ′′ ( ξ ) = 0 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 积分中值定理。 ∫ 0 2 f = 2 f ( η ) \int_0^2f=2f(\eta) ∫ 0 2 f = 2 f ( η ) ,η ∈ ( 0 , 2 ) \eta\in(0,2) η ∈ ( 0 , 2 ) ;又 ∫ 0 2 f = 2 f ( 0 ) \int_0^2f=2f(0) ∫ 0 2 f = 2 f ( 0 ) ,所以 f ( η ) = f ( 0 ) f(\eta)=f(0) f ( η ) = f ( 0 ) 。
积分中值定理:连续函数的积分 = 某一点的函数值 × 区间长度。把条件里的积分换成一个函数值 2 f ( η ) 2f(\eta) 2 f ( η ) ,就能和 2 f ( 0 ) 2f(0) 2 f ( 0 ) 直接比较。
② 再找一个等于 f ( 0 ) f(0) f ( 0 ) 的点。 f ( 2 ) + f ( 3 ) 2 = f ( 0 ) \dfrac{f(2)+f(3)}2=f(0) 2 f ( 2 ) + f ( 3 ) = f ( 0 ) ,它介于 f ( 2 ) f(2) f ( 2 ) 、f ( 3 ) f(3) f ( 3 ) 之间,由介值定理存在 ζ ∈ [ 2 , 3 ] \zeta\in[2,3] ζ ∈ [ 2 , 3 ] 使 f ( ζ ) = f ( 0 ) f(\zeta)=f(0) f ( ζ ) = f ( 0 ) 。
两个数的平均值在它们之间。
③ (Ⅱ) 两次罗尔。 f ( 0 ) = f ( η ) = f ( ζ ) f(0)=f(\eta)=f(\zeta) f ( 0 ) = f ( η ) = f ( ζ ) ,0 < η < 2 ≤ ζ 0<\eta<2\le\zeta 0 < η < 2 ≤ ζ 。在 [ 0 , η ] [0,\eta] [ 0 , η ] 、[ η , ζ ] [\eta,\zeta] [ η , ζ ] 上罗尔:f ′ ( ξ 1 ) = f ′ ( ξ 2 ) = 0 f'(\xi_1)=f'(\xi_2)=0 f ′ ( ξ 1 ) = f ′ ( ξ 2 ) = 0 ;在 [ ξ 1 , ξ 2 ] [\xi_1,\xi_2] [ ξ 1 , ξ 2 ] 上对 f ′ f' f ′ 再用罗尔:f ′ ′ ( ξ ) = 0 f''(\xi)=0 f ′′ ( ξ ) = 0 ,ξ ∈ ( 0 , 3 ) \xi\in(0,3) ξ ∈ ( 0 , 3 ) 。
三个相等的函数值 → 两个导数零点 → 一个二阶导数零点。
答案:证明题。思路:(Ⅰ)积分中值定理给出 f ( η ) = f ( 0 ) f(\eta)=f(0) f ( η ) = f ( 0 ) ;(Ⅱ)再用介值定理在 [ 2 , 3 ] [2,3] [ 2 , 3 ] 上找到 f ( ζ ) = f ( 0 ) f(\zeta)=f(0) f ( ζ ) = f ( 0 ) ,三个相等的函数值用两次罗尔定理,得 f ′ ′ ( ξ ) = 0 f''(\xi)=0 f ′′ ( ξ ) = 0 。
例 8.10 2019 数二(21)
已知函数
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上具有 2 阶导数,且
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,
f ( 1 ) = 1 f(1)=1 f ( 1 ) = 1 ,
∫ 0 1 f ( x ) d x = 1 \int_0^1f(x)\dx=1 ∫ 0 1 f ( x ) d x = 1 。证明:(Ⅰ)存在
ξ ∈ ( 0 , 1 ) \xi\in(0,1) ξ ∈ ( 0 , 1 ) ,使得
f ′ ( ξ ) = 0 f'(\xi)=0 f ′ ( ξ ) = 0 ;(Ⅱ)存在
η ∈ ( 0 , 1 ) \eta\in(0,1) η ∈ ( 0 , 1 ) ,使得
f ′ ′ ( η ) < − 2 f''(\eta)<-2 f ′′ ( η ) < − 2 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 积分中值 + 罗尔。 ∫ 0 1 f = f ( c ) = 1 \int_0^1f=f(c)=1 ∫ 0 1 f = f ( c ) = 1 ,c ∈ ( 0 , 1 ) c\in(0,1) c ∈ ( 0 , 1 ) ;f ( c ) = f ( 1 ) = 1 f(c)=f(1)=1 f ( c ) = f ( 1 ) = 1 ,在 [ c , 1 ] [c,1] [ c , 1 ] 上罗尔:f ′ ( ξ ) = 0 f'(\xi)=0 f ′ ( ξ ) = 0 。
积分中值定理造出一个与 f ( 1 ) f(1) f ( 1 ) 相等的函数值。
② (Ⅱ) 反证:设 f ′ ′ ≥ − 2 f''\ge-2 f ′′ ≥ − 2 。 令 h ( x ) = f ( x ) + x 2 h(x)=f(x)+x^2 h ( x ) = f ( x ) + x 2 ,则 h ′ ′ = f ′ ′ + 2 ≥ 0 h''=f''+2\ge0 h ′′ = f ′′ + 2 ≥ 0 ,h h h 是凹函数(向上弯),在弦的下方:h ( x ) ≤ h ( 0 ) + [ h ( 1 ) − h ( 0 ) ] x = 2 x h(x)\le h(0)+[h(1)-h(0)]x=2x h ( x ) ≤ h ( 0 ) + [ h ( 1 ) − h ( 0 )] x = 2 x 。
h ( 0 ) = 0 h(0)=0 h ( 0 ) = 0 ,h ( 1 ) = 2 h(1)=2 h ( 1 ) = 2 ;“f ′ ′ < − 2 f''<-2 f ′′ < − 2 ”等价于“h ′ ′ < 0 h''<0 h ′′ < 0 ”,反设后 h h h 凹。
③ 推出矛盾。 积分:∫ 0 1 h ≤ ∫ 0 1 2 x d x = 1 \int_0^1h\le\int_0^12x\dx=1 ∫ 0 1 h ≤ ∫ 0 1 2 x d x = 1 ,但 ∫ 0 1 h = ∫ 0 1 f + ∫ 0 1 x 2 = 1 + 1 3 = 4 3 > 1 \int_0^1h=\int_0^1f+\int_0^1x^2=1+\dfrac13=\dfrac43>1 ∫ 0 1 h = ∫ 0 1 f + ∫ 0 1 x 2 = 1 + 3 1 = 3 4 > 1 ,矛盾。所以存在 η \eta η 使 f ′ ′ ( η ) < − 2 f''(\eta)<-2 f ′′ ( η ) < − 2 。
凹函数的积分不超过弦下的面积(3.4 节 2017 数二(2) 用过同一个事实)。
答案:证明题。思路:(Ⅰ)积分中值定理找到 f ( c ) = 1 = f ( 1 ) f(c)=1=f(1) f ( c ) = 1 = f ( 1 ) ,再用罗尔定理;(Ⅱ)反证:若 f ′ ′ ≥ − 2 f''\ge-2 f ′′ ≥ − 2 ,则 h = f + x 2 h=f+x^2 h = f + x 2 是凹函数,在弦 y = 2 x y=2x y = 2 x 下方,积分得 4 3 ≤ 1 \frac43\le1 3 4 ≤ 1 ,矛盾。
例 8.11 2020 数二(20)
设函数
f ( x ) = ∫ 1 x e t 2 d t f(x)=\int_1^x\e^{t^2}\dt f ( x ) = ∫ 1 x e t 2 d t 。(Ⅰ)证明:存在
ξ ∈ ( 1 , 2 ) \xi\in(1,2) ξ ∈ ( 1 , 2 ) ,
f ( ξ ) = ( 2 − ξ ) e ξ 2 f(\xi)=(2-\xi)\e^{\xi^2} f ( ξ ) = ( 2 − ξ ) e ξ 2 ;(Ⅱ)证明:存在
η ∈ ( 1 , 2 ) \eta\in(1,2) η ∈ ( 1 , 2 ) ,
f ( 2 ) = ln 2 ⋅ η e η 2 f(2)=\ln2\cdot\eta\e^{\eta^2} f ( 2 ) = ln 2 ⋅ η e η 2 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 把结论写成导数为 0。 f ( ξ ) + ( ξ − 2 ) e ξ 2 = 0 f(\xi)+(\xi-2)\e^{\xi^2}=0 f ( ξ ) + ( ξ − 2 ) e ξ 2 = 0 ,即 [ ( x − 2 ) f ( x ) ] ′ ∣ x = ξ = 0 \big[(x-2)f(x)\big]'\big|_{x=\xi}=0 [ ( x − 2 ) f ( x ) ] ′ x = ξ = 0 (因为 f ′ = e x 2 f'=\e^{x^2} f ′ = e x 2 )。
结论可以移项成 f ( ξ ) + ( ξ − 2 ) e ξ 2 = 0 f(\xi)+(\xi-2)\e^{\xi^2}=0 f ( ξ ) + ( ξ − 2 ) e ξ 2 = 0 ,这正好是 ( x − 2 ) f ( x ) (x-2)f(x) ( x − 2 ) f ( x ) 的导数在 ξ \xi ξ 处为 0(乘积求导,且 f ′ = e x 2 f'=\e^{x^2} f ′ = e x 2 )。
② (Ⅰ) 罗尔。 F ( x ) = ( x − 2 ) f ( x ) F(x)=(x-2)f(x) F ( x ) = ( x − 2 ) f ( x ) ,F ( 1 ) = − f ( 1 ) = 0 F(1)=-f(1)=0 F ( 1 ) = − f ( 1 ) = 0 ,F ( 2 ) = 0 F(2)=0 F ( 2 ) = 0 ,存在 ξ ∈ ( 1 , 2 ) \xi\in(1,2) ξ ∈ ( 1 , 2 ) 使 F ′ ( ξ ) = 0 F'(\xi)=0 F ′ ( ξ ) = 0 。
变限积分上下限相同时值为 0,所以 f ( 1 ) = ∫ 1 1 = 0 f(1)=\int_1^1=0 f ( 1 ) = ∫ 1 1 = 0 ,F ( 1 ) = 0 F(1)=0 F ( 1 ) = 0 ;F ( 2 ) F(2) F ( 2 ) 里有因子 2 − 2 = 0 2-2=0 2 − 2 = 0 ,也为 0。
③ (Ⅱ) 柯西中值定理。 对 f ( x ) f(x) f ( x ) 和 g ( x ) = ln x g(x)=\ln x g ( x ) = ln x 在 [ 1 , 2 ] [1,2] [ 1 , 2 ] 上:f ( 2 ) − f ( 1 ) ln 2 − ln 1 = f ′ ( η ) 1 / η = η e η 2 \dfrac{f(2)-f(1)}{\ln2-\ln1}=\dfrac{f'(\eta)}{1/\eta}=\eta\e^{\eta^2} ln 2 − ln 1 f ( 2 ) − f ( 1 ) = 1/ η f ′ ( η ) = η e η 2 ,即 f ( 2 ) = ln 2 ⋅ η e η 2 f(2)=\ln2\cdot\eta\e^{\eta^2} f ( 2 ) = ln 2 ⋅ η e η 2 。
结论里 ln 2 \ln2 ln 2 提示分母是 ln x \ln x ln x 的增量,η \eta η 乘在前面提示 g ′ = 1 η g'=\frac1\eta g ′ = η 1 。
答案:证明题。思路:(Ⅰ)结论就是 [ ( x − 2 ) f ( x ) ] ′ = 0 [(x-2)f(x)]'=0 [( x − 2 ) f ( x ) ] ′ = 0 ,对 ( x − 2 ) f ( x ) (x-2)f(x) ( x − 2 ) f ( x ) 在 [ 1 , 2 ] [1,2] [ 1 , 2 ] 上用罗尔定理;(Ⅱ)对 f ( x ) f(x) f ( x ) 和 ln x \ln x ln x 用柯西中值定理。
例 8.12 李林 第六章 §3 例 11 · p150
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上连续,且
∫ 0 π f ( x ) d x = 0 \int_0^\pi f(x)\dx=0 ∫ 0 π f ( x ) d x = 0 ,
∫ 0 π f ( x ) cos x d x = 0 \int_0^\pi f(x)\cos x\dx=0 ∫ 0 π f ( x ) cos x d x = 0 。证明:在
( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 内
f ( x ) f(x) f ( x ) 至少有两个零点。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 设变限积分。 F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t F(x)=\int_0^xf(t)\dt F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t ,F ( 0 ) = F ( π ) = 0 F(0)=F(\pi)=0 F ( 0 ) = F ( π ) = 0 ,F ′ = f F'=f F ′ = f 。
条件是积分,结论是 f f f 的零点,就设 F = ∫ f F=\int f F = ∫ f 。
② 用第二个条件找 F F F 的第三个零点。 0 = ∫ 0 π f cos x d x = [ F cos x ] 0 π + ∫ 0 π F sin x d x = ∫ 0 π F ( x ) sin x d x 0=\int_0^\pi f\cos x\dx=\big[F\cos x\big]_0^\pi+\int_0^\pi F\sin x\dx=\int_0^\pi F(x)\sin x\dx 0 = ∫ 0 π f cos x d x = [ F cos x ] 0 π + ∫ 0 π F sin x d x = ∫ 0 π F ( x ) sin x d x 。若 F F F 在 ( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 内无零点,F sin x F\sin x F sin x 恒正或恒负,积分不为 0,矛盾。所以存在 ξ ∈ ( 0 , π ) \xi\in(0,\pi) ξ ∈ ( 0 , π ) ,F ( ξ ) = 0 F(\xi)=0 F ( ξ ) = 0 。
分部积分把 f f f 转成 F F F ;sin x > 0 \sin x>0 sin x > 0 在 ( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 内。
③ 两次罗尔(各一次)。 F ( 0 ) = F ( ξ ) = F ( π ) = 0 F(0)=F(\xi)=F(\pi)=0 F ( 0 ) = F ( ξ ) = F ( π ) = 0 ,在 ( 0 , ξ ) (0,\xi) ( 0 , ξ ) 、( ξ , π ) (\xi,\pi) ( ξ , π ) 内各有一点使 F ′ = f = 0 F'=f=0 F ′ = f = 0 。
三个零点给出两个导数零点。
答案:证明题。思路:令 F = ∫ 0 x f F=\int_0^xf F = ∫ 0 x f ,F ( 0 ) = F ( π ) = 0 F(0)=F(\pi)=0 F ( 0 ) = F ( π ) = 0 ;第二个条件分部积分后变成 ∫ 0 π F sin x d x = 0 \int_0^\pi F\sin x\dx=0 ∫ 0 π F sin x d x = 0 ,所以 F F F 在 ( 0 , π ) (0,\pi) ( 0 , π ) 内还有一个零点;三个零点用两次罗尔定理,得 f f f 的两个零点。
8.5 积分与数列:比大小、夹逼、单调有界
大白话:数列的项是一个积分(u n = ∫ ⋯ u_n=\int\cdots u n = ∫ ⋯ ),或者数列和某个积分作比较(∑ 1 k \sum\frac1k ∑ k 1 与 ln n \ln n ln n ) 。前者用“比较被积函数”放缩后夹逼;后者把和式看成矩形面积,和曲线下的面积比。
x y O y =1/x 矩形面积和 1+1/2+…+1/(n −1) 曲线下面积 ln n 1 2 n 左端点矩形盖住 y = 1 x y=\frac1x y = x 1 下的面积:1 + 1 2 + ⋯ + 1 n − 1 > ln n 1+\frac12+\cdots+\frac1{n-1}>\ln n 1 + 2 1 + ⋯ + n − 1 1 > ln n ;多出来的小块加起来有界。
两个工具
积分表示:ln ( 1 + 1 n ) = ∫ n n + 1 d x x \ln\Big(1+\dfrac1n\Big)=\int_n^{n+1}\dfrac{\dx}x ln ( 1 + n 1 ) = ∫ n n + 1 x d x ,被积函数夹在 1 n + 1 \frac1{n+1} n + 1 1 与 1 n \frac1n n 1 之间。
f f f 递减时:f ( k + 1 ) ≤ ∫ k k + 1 f ≤ f ( k ) f(k+1)\le\int_k^{k+1}f\le f(k) f ( k + 1 ) ≤ ∫ k k + 1 f ≤ f ( k ) ,所以 ∑ f ( k ) \sum f(k) ∑ f ( k ) 与 ∫ f \int f ∫ f 相差有界。
方法卡 · 积分与数列
什么时候用
数列通项是积分;或数列与
ln n \ln n ln n 、
∫ 1 n f \int_1^nf ∫ 1 n f 有关,要证收敛或求极限。
步骤
通项是积分:比较被积函数得到不等式,再算一个能算的积分做上界,夹逼。
和式与积分:把每一项写成一个小矩形,与 ∫ k k + 1 f \int_k^{k+1}f ∫ k k + 1 f 比较。
收敛性:单调(相邻两项作差)+ 有界(和与积分比较)。
最容易错
单调有界只证了一半;
ln ( 1 + t ) ≤ t \ln(1+t)\le t ln ( 1 + t ) ≤ t 用时忘了
t t t 的范围。
例 8.13 2011 数一(18)
(Ⅰ)证明:对任意的正整数
n n n ,都有
1 n + 1 < ln ( 1 + 1 n ) < 1 n \dfrac1{n+1}<\ln\Big(1+\dfrac1n\Big)<\dfrac1n n + 1 1 < ln ( 1 + n 1 ) < n 1 成立;(Ⅱ)设
a n = 1 + 1 2 + ⋯ + 1 n − ln n a_n=1+\dfrac12+\cdots+\dfrac1n-\ln n a n = 1 + 2 1 + ⋯ + n 1 − ln n (
n = 1 , 2 , ⋯ n=1,2,\cdots n = 1 , 2 , ⋯ ),证明数列
{ a n } \{a_n\} { a n } 收敛。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 写成积分。 ln ( 1 + 1 n ) = ln ( n + 1 ) − ln n = ∫ n n + 1 d x x \ln\Big(1+\dfrac1n\Big)=\ln(n+1)-\ln n=\int_n^{n+1}\dfrac{\dx}x ln ( 1 + n 1 ) = ln ( n + 1 ) − ln n = ∫ n n + 1 x d x ,在 ( n , n + 1 ) (n,n+1) ( n , n + 1 ) 内 1 n + 1 < 1 x < 1 n \dfrac1{n+1}<\dfrac1x<\dfrac1n n + 1 1 < x 1 < n 1 ,积分得结论。
区间长度为 1,积分就夹在两个端点值之间(也可以用拉格朗日中值定理)。
② (Ⅱ) 单调减少。 a n + 1 − a n = 1 n + 1 − ln ( 1 + 1 n ) < 0 a_{n+1}-a_n=\dfrac1{n+1}-\ln\Big(1+\dfrac1n\Big)<0 a n + 1 − a n = n + 1 1 − ln ( 1 + n 1 ) < 0 。
由(Ⅰ)的左半边 1 n + 1 < ln ( 1 + 1 n ) \frac1{n+1}<\ln\big(1+\frac1n\big) n + 1 1 < ln ( 1 + n 1 ) ,两者相减小于 0,所以后一项比前一项小,数列单调减少。
③ (Ⅱ) 有下界。 ln n = ∑ k = 1 n − 1 ln ( 1 + 1 k ) < ∑ k = 1 n − 1 1 k \ln n=\sum\limits_{k=1}^{n-1}\ln\Big(1+\dfrac1k\Big)<\sum\limits_{k=1}^{n-1}\dfrac1k ln n = k = 1 ∑ n − 1 ln ( 1 + k 1 ) < k = 1 ∑ n − 1 k 1 ,所以 a n > 1 n > 0 a_n>\dfrac1n>0 a n > n 1 > 0 。
用(Ⅰ)的右半边;图上就是矩形面积和大于曲线下面积。
④ 结论。 单调减少且有下界,{ a n } \{a_n\} { a n } 收敛。
单调有界准则。它的极限叫欧拉常数,约 0.577。
答案:证明题。思路:(Ⅰ)ln ( 1 + 1 n ) = ∫ n n + 1 d x x \ln(1+\frac1n)=\int_n^{n+1}\frac{\dx}x ln ( 1 + n 1 ) = ∫ n n + 1 x d x ,被积函数夹在 1 n + 1 \frac1{n+1} n + 1 1 和 1 n \frac1n n 1 之间;(Ⅱ)用(Ⅰ)左半边证 a n a_n a n 递减、右半边证 a n > 0 a_n>0 a n > 0 ,单调有界,所以收敛。
例 8.14 2010 数一(17)
(Ⅰ)比较
∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t \int_0^1|\ln t|\big[\ln(1+t)\big]^n\dt ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t 与
∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t \int_0^1t^n|\ln t|\dt ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t (
n = 1 , 2 , ⋯ n=1,2,\cdots n = 1 , 2 , ⋯ )的大小,说明理由;(Ⅱ)记
u n = ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t u_n=\int_0^1|\ln t|\big[\ln(1+t)\big]^n\dt u n = ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t ,求极限
lim n → ∞ u n \lim\limits_{n\to\infty}u_n n → ∞ lim u n 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (Ⅰ) 比较被积函数。 0 < t ≤ 1 0<t\le1 0 < t ≤ 1 时 0 ≤ ln ( 1 + t ) ≤ t 0\le\ln(1+t)\le t 0 ≤ ln ( 1 + t ) ≤ t ,所以 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n ≤ t n ∣ ln t ∣ |\ln t|[\ln(1+t)]^n\le t^n|\ln t| ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n ≤ t n ∣ ln t ∣ ,积分得 ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t ≤ ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t \int_0^1|\ln t|[\ln(1+t)]^n\dt\le\int_0^1t^n|\ln t|\dt ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t ≤ ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t 。
同区间比被积函数;∣ ln t ∣ ≥ 0 |\ln t|\ge0 ∣ ln t ∣ ≥ 0 不改变不等号。
② (Ⅱ) 算出上界。 ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t = − ∫ 0 1 t n ln t d t = − [ t n + 1 n + 1 ln t ] 0 1 + ∫ 0 1 t n n + 1 d t = 1 ( n + 1 ) 2 \int_0^1t^n|\ln t|\dt=-\int_0^1t^n\ln t\dt=-\Big[\dfrac{t^{n+1}}{n+1}\ln t\Big]_0^1+\int_0^1\dfrac{t^n}{n+1}\dt=\dfrac1{(n+1)^2} ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t = − ∫ 0 1 t n ln t d t = − [ n + 1 t n + 1 ln t ] 0 1 + ∫ 0 1 n + 1 t n d t = ( n + 1 ) 2 1 。
t n t^n t n 是幂、ln t \ln t ln t 是对数,“对”当 u u u 分部;边界项在 t → 0 + t\to0^+ t → 0 + 时要取极限,t n + 1 ln t → 0 t^{n+1}\ln t\to0 t n + 1 ln t → 0 (幂比对数快)。
③ (Ⅱ) 夹逼。 0 ≤ u n ≤ 1 ( n + 1 ) 2 → 0 0\le u_n\le\dfrac1{(n+1)^2}\to0 0 ≤ u n ≤ ( n + 1 ) 2 1 → 0 ,所以 lim u n = 0 \lim u_n=0 lim u n = 0 。
第(Ⅰ)问就是为夹逼准备的。
答案:(Ⅰ) 前者不大于后者;(Ⅱ) 0
例 8.15 李林 第六章 §3 例 3 · p145
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ 0 , + ∞ ) [0,+\infty) [ 0 , + ∞ ) 上单调减少、非负、连续,
a n = ∑ k = 1 n f ( k ) − ∫ 1 n f ( x ) d x a_n=\sum\limits_{k=1}^nf(k)-\int_1^nf(x)\dx a n = k = 1 ∑ n f ( k ) − ∫ 1 n f ( x ) d x ,证明数列
{ a n } \{a_n\} { a n } 的极限存在。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① 单调减少。 a n + 1 − a n = f ( n + 1 ) − ∫ n n + 1 f ( x ) d x ≤ 0 a_{n+1}-a_n=f(n+1)-\int_n^{n+1}f(x)\dx\le0 a n + 1 − a n = f ( n + 1 ) − ∫ n n + 1 f ( x ) d x ≤ 0 ,因为在 [ n , n + 1 ] [n,n+1] [ n , n + 1 ] 上 f ( x ) ≥ f ( n + 1 ) f(x)\ge f(n+1) f ( x ) ≥ f ( n + 1 ) 。
递减函数在区间上的积分不小于右端点值乘长度。
② 有下界。 a n = ∑ k = 1 n − 1 [ f ( k ) − ∫ k k + 1 f ] + f ( n ) ≥ 0 a_n=\sum\limits_{k=1}^{n-1}\Big[f(k)-\int_k^{k+1}f\Big]+f(n)\ge0 a n = k = 1 ∑ n − 1 [ f ( k ) − ∫ k k + 1 f ] + f ( n ) ≥ 0 ,每个方括号 ≥ 0 \ge0 ≥ 0 (f ≤ f ( k ) f\le f(k) f ≤ f ( k ) 在 [ k , k + 1 ] [k,k+1] [ k , k + 1 ] 上),f ( n ) ≥ 0 f(n)\ge0 f ( n ) ≥ 0 。
把积分也拆成 n − 1 n-1 n − 1 段,和对应的项配对。
③ 结论。 单调减少、有下界,极限存在。
2011 数一(18) 是 f ( x ) = 1 x f(x)=\frac1x f ( x ) = x 1 的特例。
答案:证明题。思路:a n + 1 − a n = f ( n + 1 ) − ∫ n n + 1 f ≤ 0 a_{n+1}-a_n=f(n+1)-\int_n^{n+1}f\le0 a n + 1 − a n = f ( n + 1 ) − ∫ n n + 1 f ≤ 0 (递减);把积分拆成 n − 1 n-1 n − 1 段,和对应的 f ( k ) f(k) f ( k ) 逐项比较得 a n ≥ 0 a_n\ge0 a n ≥ 0 (有下界);单调有界,极限存在。
8.6 小结
题目里的说法 换成什么 例子
积分与函数值的桥 积分中值定理 ∫ a b f = f ( ξ ) ( b − a ) \int_a^bf=f(\xi)(b-a) ∫ a b f = f ( ξ ) ( b − a ) 例 8.2 、例 8.9
lim 1 x ∫ 0 x ∣ cos t ∣ d t \lim\frac1x\int_0^x|\cos t|\dt lim x 1 ∫ 0 x ∣ cos t ∣ d t 这类按周期夹住,夹逼 例 8.1
f ( a ) = f ( b ) = 0 f(a)=f(b)=0 f ( a ) = f ( b ) = 0 ,∣ f ′ ∣ ≤ M |f'|\le M ∣ f ′ ∣ ≤ M ,估 ∫ f \int f ∫ f 两头各用拉格朗日 例 8.2
两边都是积分,f f f 单调 上限换成 x x x ,辅助函数求导 例 8.3 、例 8.4
f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 ,与 f ( a + b 2 ) f(\frac{a+b}2) f ( 2 a + b ) 比较中点泰勒展开,一次项积分为 0 例 8.5
∣ f ′ ′ ∣ ≤ 1 |f''|\le1 ∣ f ′′ ∣ ≤ 1 ,与 f ( 0 ) + f ( 1 ) 2 \frac{f(0)+f(1)}2 2 f ( 0 ) + f ( 1 ) 比较在 x x x 处展开到 0 和 1,加权相加 例 8.6 、例 8.7
“存在 ξ \xi ξ 使 F ′ ′ ( ξ ) = 0 F''(\xi)=0 F ′′ ( ξ ) = 0 ” 找三个零点,两次罗尔 例 8.8 、例 8.9
“存在 ξ \xi ξ 使 f ( ξ ) = ( 2 − ξ ) g ( ξ ) f(\xi)=(2-\xi)g(\xi) f ( ξ ) = ( 2 − ξ ) g ( ξ ) ” 构造 [ ( x − 2 ) F ( x ) ] ′ [(x-2)F(x)]' [( x − 2 ) F ( x ) ] ′ ,罗尔 例 8.11
结论里有 ln 2 \ln2 ln 2 和 η g ( η ) \eta g(\eta) η g ( η ) 柯西中值定理,g = ln x g=\ln x g = ln x 例 8.11
“存在 η \eta η 使 f ′ ′ ( η ) < c f''(\eta)<c f ′′ ( η ) < c ” 反证:f − c 2 x 2 f-\frac c2x^2 f − 2 c x 2 凹,弦下方 例 8.10
∫ f = ∫ f cos x = 0 \int f=\int f\cos x=0 ∫ f = ∫ f cos x = 0 ,证两个零点F = ∫ 0 x f F=\int_0^xf F = ∫ 0 x f ,分部得第三个零点例 8.12
∑ 1 k − ln n \sum\frac1k-\ln n ∑ k 1 − ln n 收敛ln ( 1 + 1 n ) = ∫ n n + 1 d x x \ln(1+\frac1n)=\int_n^{n+1}\frac{\dx}x ln ( 1 + n 1 ) = ∫ n n + 1 x d x ;单调有界例 8.13 、例 8.15
u n = ∫ ⋯ u_n=\int\cdots u n = ∫ ⋯ 求极限比较被积函数放大,算上界,夹逼 例 8.14
学完了,标记这一部分
第 9 部分
看形状选方法(总表)
把前八部分反过来用:不看方法看形状。五张总表(不定积分、定积分、变限积分、反常积分、应用题)、两张选法流程图,最后是一页口诀和一道自测。
这一部分怎么用 前面八个部分按“方法”讲;这一部分反过来,按“被积函数长什么样” 查该用什么方法。做题卡住时,先在表里找和题目最像的一行,照着“第一步”写下去。每行最后的例子可以点进去看完整解法。
表是按优先顺序排的:同一个式子可能对得上好几行,越靠前的方法越省事 ,先试靠前的。
9.1 不定积分:看被积函数的形状
不定积分是一切积分计算的底子。下面的流程图就是“先问什么、后问什么”:从上往下问,第一个回答“是”的地方就是该用的方法。
不定积分:按顺序问 8 个问题 从上往下问,第一个“是”就用它 ① 分段函数、|x |、max/min? 分段积分,连续性粘常数(1.5) 是 否 ② 展开、拆项、三角恒等变形后 能直接查积分表? 直接积分(1.2) 是 否 ③ 有“里层”φ (x ),旁边正好是 φ ′(x )? 凑微分(2.1) 是 否 ④ 有根号?一次式、指数在根号里 / 二次式在根号里 根式代换(2.2)/ 配方 + 三角代换(2.3) 是 否 ⑤ 两类函数相乘(幂×指、幂×三角、 幂×对数、反三角)? 分部积分,反对幂指三(2.4) 是 否 ⑥ 多项式 ÷ 多项式? 除法 + 部分分式(2.5) 是 否 ⑦ 只含 sin、cos 的加减乘除? 奇偶凑微分 / tan / 万能(2.6) 是 否 ⑧ 以上都不像 加一减一、拆项、分部消项、 先换元再分部(2.7) 是 不定积分的选法:按顺序问 8 个问题;换元或分部以后得到的新积分,再从第①问重新走一遍。
被积函数长这样 用什么方法 第一步怎么写 例子
分段函数、∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ 、max { ⋯ } \max\{\cdots\} max { ⋯ } 分段积分,连续性粘常数 先写成分段函数,每段各带 C i C_i C i 例 1.11 、例 1.13
多项式、幂函数的和;( 1 − x ) 2 x \frac{(1-x)^2}{\sqrt x} x ( 1 − x ) 2 展开、拆项、查表 写成 ∑ a k x μ k \sum a_kx^{\mu_k} ∑ a k x μ k 例 1.3
tan 2 x \tan^2x tan 2 x 、1 sin 2 x cos 2 x \frac1{\sin^2x\cos^2x} s i n 2 x c o s 2 x 1 、cos 2 x cos x − sin x \frac{\cos2x}{\cos x-\sin x} c o s x − s i n x c o s 2 x 三角恒等变形后查表 1 = sin 2 x + cos 2 x 1=\sin^2x+\cos^2x 1 = sin 2 x + cos 2 x ,tan 2 x = sec 2 x − 1 \tan^2x=\sec^2x-1 tan 2 x = sec 2 x − 1 例 1.4
x 4 1 + x 2 \frac{x^4}{1+x^2} 1 + x 2 x 4 、1 1 + e x \frac1{1+\e^x} 1 + e x 1 (分子凑得出分母)加一减一 x 4 = ( x 4 − 1 ) + 1 x^4=(x^4-1)+1 x 4 = ( x 4 − 1 ) + 1 ;1 = ( 1 + e x ) − e x 1=(1+\e^x)-\e^x 1 = ( 1 + e x ) − e x 例 1.3 、例 2.3
φ ′ ( x ) φ ( x ) \frac{\varphi'(x)}{\varphi(x)} φ ( x ) φ ′ ( x ) (分子是分母的导数)直接得 ln ∣ φ ∣ \ln|\varphi| ln ∣ φ ∣ 先对分母求导,看是否等于分子 例 2.17
f ( a x + b ) f(ax+b) f ( a x + b ) ;x n − 1 f ( x n ) x^{n-1}f(x^n) x n − 1 f ( x n ) 凑微分 d x = 1 a d ( a x + b ) \dx=\frac1a\dd(ax+b) d x = a 1 d ( a x + b ) ;x n − 1 d x = 1 n d x n x^{n-1}\dx=\frac1n\dd x^n x n − 1 d x = n 1 d x n 例 2.1
f ( ln x ) x \frac{f(\ln x)}x x f ( l n x ) 、f ( x ) x \frac{f(\sqrt x)}{\sqrt x} x f ( x ) 、f ( e x ) e x f(\e^x)\e^x f ( e x ) e x 凑微分 d x x = d ln x \frac{\dx}x=\dd\ln x x d x = d ln x , d x x = 2 d x \frac{\dx}{\sqrt x}=2\dd\sqrt x x d x = 2 d x ,e x d x = d e x \e^x\dx=\dd\e^x e x d x = d e x 例 2.3 、例 2.1
f ( arctan x ) 1 + x 2 \frac{f(\arctan x)}{1+x^2} 1 + x 2 f ( a r c t a n x ) 、f ( arcsin x ) 1 − x 2 \frac{f(\arcsin x)}{\sqrt{1-x^2}} 1 − x 2 f ( a r c s i n x ) 凑微分 d x 1 + x 2 = d arctan x \frac{\dx}{1+x^2}=\dd\arctan x 1 + x 2 d x = d arctan x 例 2.1 、例 4.3
x 2 + 1 x 4 + 1 \frac{x^2+1}{x^4+1} x 4 + 1 x 2 + 1 、e 3 x + e x e 4 x + 1 \frac{\e^{3x}+\e^x}{\e^{4x}+1} e 4 x + 1 e 3 x + e x 同除中间次数,凑 d ( x ∓ 1 x ) \dd\big(x\mp\frac1x\big) d ( x ∓ x 1 ) 分子分母同除 x 2 x^2 x 2 (或 e 2 x \e^{2x} e 2 x ) 例 2.4
a x + b n \sqrt[n]{ax+b} n a x + b ;x \sqrt x x 与 x 3 \sqrt[3]x 3 x 同时出现根式代换 t = a x + b n t=\sqrt[n]{ax+b} t = n a x + b ;x = t 6 x=t^6 x = t 6 例 2.5
a x + b c x + d \sqrt{\frac{ax+b}{cx+d}} c x + d a x + b 根式代换 t = t= t = 整个根号,反解 x x x 例 2.6
e x − 1 \sqrt{\e^x-1} e x − 1 、1 + e x \sqrt{1+\e^x} 1 + e x 根式代换 t = e x − 1 t=\sqrt{\e^x-1} t = e x − 1 , d x = 2 t 1 + t 2 d t \dx=\frac{2t}{1+t^2}\dt d x = 1 + t 2 2 t d t 例 2.7
a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 三角代换 x = a sin t x=a\sin t x = a sin t 例 2.8 、例 2.9
x 2 + a 2 \sqrt{x^2+a^2} x 2 + a 2 三角代换(或查表第 12 条) x = a tan t x=a\tan t x = a tan t 例 2.8
x 2 − a 2 \sqrt{x^2-a^2} x 2 − a 2 三角代换(或查表第 12 条) x = a sec t x=a\sec t x = a sec t ,注意 x < 0 x<0 x < 0 时的符号例 4.6
A x + B a x 2 + b x + c \frac{Ax+B}{\sqrt{ax^2+bx+c}} a x 2 + b x + c A x + B 分子拆“根号里的导数 + 常数”,再配方 A x + B = λ ( 2 a x + b ) + μ Ax+B=\lambda(2ax+b)+\mu A x + B = λ ( 2 a x + b ) + μ 例 2.10
1 x k ⋯ \frac1{x^k\sqrt{\cdots}} x k ⋯ 1 (分母次数高)倒代换 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 例 2.11
P n ( x ) e k x P_n(x)\e^{kx} P n ( x ) e k x 、P n ( x ) sin k x P_n(x)\sin kx P n ( x ) sin k x 分部,多项式当 u u u (表格法) e k x d x = d e k x k \e^{kx}\dx=\dd\frac{\e^{kx}}k e k x d x = d k e k x 例 2.12 、例 2.15
P n ( x ) ln x P_n(x)\ln x P n ( x ) ln x 、P n ( x ) arctan x P_n(x)\arctan x P n ( x ) arctan x 、单独的 ln x \ln x ln x 、arcsin x \arcsin x arcsin x 分部,对数、反三角当 u u u P n d x = d ( 原函数 ) P_n\dx=\dd(\text{原函数}) P n d x = d ( 原函数 ) ,单独时 v = x v=x v = x 例 2.12 、例 2.14
e k x sin a x \e^{kx}\sin ax e k x sin a x 、sin ( ln x ) \sin(\ln x) sin ( ln x ) 分部两次,循环解方程 两次都让同一类进 d v \dd v d v 例 2.13
sin n x \sin^nx sin n x 、tan n x \tan^nx tan n x (含 n n n )分部或配对,得递推 sin n x = sin n − 1 x ⋅ sin x \sin^nx=\sin^{n-1}x\cdot\sin x sin n x = sin n − 1 x ⋅ sin x 例 2.16 、例 4.26
P ( x ) Q ( x ) \frac{P(x)}{Q(x)} Q ( x ) P ( x ) (有理函数)除法 + 部分分式 先看分子是否是分母的导数;否则分解分母 例 2.19 、例 2.20
B x + C x 2 + p x + q \frac{Bx+C}{x^2+px+q} x 2 + p x + q B x + C (不能分解)拆成“导数 + 常数”,得 ln + arctan B x + C = B 2 ( 2 x + p ) + ⋯ Bx+C=\frac B2(2x+p)+\cdots B x + C = 2 B ( 2 x + p ) + ⋯ 例 2.17
sin \sin sin 或 cos \cos cos 是奇次留一个凑 d cos x \dd\cos x d cos x 或 d sin x \dd\sin x d sin x sin 3 x d x = − ( 1 − cos 2 x ) d cos x \sin^3x\dx=-(1-\cos^2x)\dd\cos x sin 3 x d x = − ( 1 − cos 2 x ) d cos x 例 2.21
sin , cos \sin,\cos sin , cos 都是偶次降幂;分母偶次用 u = tan x u=\tan x u = tan x cos 2 x = 1 + cos 2 x 2 \cos^2x=\frac{1+\cos2x}2 cos 2 x = 2 1 + c o s 2 x ;1 cos 4 x = ( 1 + tan 2 x ) sec 2 x \frac1{\cos^4x}=(1+\tan^2x)\sec^2x c o s 4 x 1 = ( 1 + tan 2 x ) sec 2 x 例 2.21 、例 2.22
1 1 ± sin x \frac1{1\pm\sin x} 1 ± s i n x 1 、1 1 ± cos x \frac1{1\pm\cos x} 1 ± c o s x 1 乘共轭或倍角公式 上下同乘 1 ∓ sin x 1\mp\sin x 1 ∓ sin x 例 2.22
a sin x + b cos x c sin x + d cos x \frac{a\sin x+b\cos x}{c\sin x+d\cos x} c s i n x + d c o s x a s i n x + b c o s x 分子 = A A A ·分母 + B B B ·分母' 比较 sin \sin sin 、cos \cos cos 的系数解 A , B A,B A , B 例 2.23
其他三角有理式 万能代换 t = tan x 2 t=\tan\frac x2 t = tan 2 x sin x = 2 t 1 + t 2 \sin x=\frac{2t}{1+t^2} sin x = 1 + t 2 2 t , d x = 2 d t 1 + t 2 \dx=\frac{2\dt}{1+t^2} d x = 1 + t 2 2 d t 例 2.23
根号 + 反三角(或对数) 先换元去根号,再分部 t = ⋯ t=\sqrt{\cdots} t = ⋯ ,然后反三角当 u u u 例 2.24 、例 2.25
e x [ f ( x ) + f ′ ( x ) ] \e^x[f(x)+f'(x)] e x [ f ( x ) + f ′ ( x )] 、两项各自积不出分部消项 只对其中一项分部 例 2.26
x k f ′ ( x ) x^kf'(x) x k f ′ ( x ) 、x k f ′ ′ ( x ) x^kf''(x) x k f ′′ ( x ) (抽象函数)分部,把导数转走 f ′ d x = d f f'\dx=\dd f f ′ d x = d f 例 2.27
f − 1 ( x ) f^{-1}(x) f − 1 ( x ) 令 x = f ( t ) x=f(t) x = f ( t ) ,再分部 ∫ f − 1 ( x ) d x = ∫ t d f ( t ) \int f^{-1}(x)\dx=\int t\,\dd f(t) ∫ f − 1 ( x ) d x = ∫ t d f ( t ) 例 2.28
9.2 定积分:先看区间,再看被积函数
定积分多了上下限,很多题不用求原函数 :先看区间有没有对称、周期、“区间再现”可用,最后才回到 9.1 硬算。
定积分:先看区间,再看被积函数 从上往下问,第一个“是”就用它 ① 区间关于某点对称? 去奇函数、偶函数翻倍; 或 ∫0 a [ f (x )+f (−x )](4.3) 是 否 ② 被积函数是圆、三角形的边界? 直接用面积(3.2) 是 否 ③ 周期函数、|…|、分段、函数方程? 按周期平移、拆区间、换元(4.4) 是 否 ④ [0,π/2] 上 sin、cos 对称出现; [0,π] 上 x f (sin x )? 区间再现,与原积分相加(4.5) 是 否 ⑤ sinⁿ、cosⁿ、x m √(1− x ²)? 华里士公式(4.6) 是 否 ⑥ 含 f ′、f ″ 或变限积分? 分部,边界项先算(4.2、5.6) 是 否 ⑦ 以上都不是 按 9.1 求原函数(4.1) 是 定积分的选法:先用区间的特点化简,最后才找原函数。
被积函数长这样 用什么方法 第一步怎么写 例子
区间 [ − a , a ] [-a,a] [ − a , a ] 去掉奇函数,偶函数翻倍 把被积函数拆成奇 + 偶 例 4.11 、例 4.14
g ( x ) 1 + e ± x \frac{g(x)}{1+\e^{\pm x}} 1 + e ± x g ( x ) 、arctan e x \arctan\e^x arctan e x 在对称区间上∫ − a a f = ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] \int_{-a}^a f=\int_0^a[f(x)+f(-x)] ∫ − a a f = ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x )] 算 f ( x ) + f ( − x ) f(x)+f(-x) f ( x ) + f ( − x ) ,常常是常数 例 4.15
a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 、2 a x − x 2 \sqrt{2ax-x^2} 2 a x − x 2 几何意义:圆的面积 配方看出圆心、半径 例 3.3 、例 3.4
区间关于 c c c 对称,如 [ 0 , 2 ] [0,2] [ 0 , 2 ] 配 2 x − x 2 \sqrt{2x-x^2} 2 x − x 2 平移 x = c + t x=c+t x = c + t ,再用对称性 x = 1 + t x=1+t x = 1 + t 例 4.12 、例 4.13
∣ sin x ∣ |\sin x| ∣ sin x ∣ 、周期函数按周期平移,与起点无关 ∫ a a + n T f = n ∫ 0 T f \int_a^{a+nT}f=n\int_0^Tf ∫ a a + n T f = n ∫ 0 T f 例 4.17 、例 4.20
分段函数、f ( x − 1 ) f(x-1) f ( x − 1 ) 、∣ t 2 − x 2 ∣ |t^2-x^2| ∣ t 2 − x 2 ∣ 在分段点、零点处拆开 先换元 t = x − 1 t=x-1 t = x − 1 再分段 例 4.19 、例 4.18
函数方程 f ( x + T ) − f ( x ) = g ( x ) f(x+T)-f(x)=g(x) f ( x + T ) − f ( x ) = g ( x ) 换元把区间搬到已知区间 ∫ T T + 1 f ( x ) d x = ∫ 0 1 f ( t + T ) d t \int_T^{T+1}f(x)\dx=\int_0^1f(t+T)\dt ∫ T T + 1 f ( x ) d x = ∫ 0 1 f ( t + T ) d t 例 4.16
[ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上 sin , cos \sin,\cos sin , cos 对称出现区间再现 x → π 2 − x x\to\frac\pi2-x x → 2 π − x ,相加 I = J I=J I = J ,2 I = ∫ ( ⋯ ) 2I=\int(\cdots) 2 I = ∫ ( ⋯ ) 例 4.21 、例 4.23
[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上 x f ( sin x ) xf(\sin x) x f ( sin x ) = π 2 ∫ 0 π f ( sin x ) d x =\frac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)\dx = 2 π ∫ 0 π f ( sin x ) d x x → π − x x\to\pi-x x → π − x 例 4.21 、例 4.22
sin n x \sin^nx sin n x 、cos n x \cos^nx cos n x 、x m 1 − x 2 x^m\sqrt{1-x^2} x m 1 − x 2 华里士公式 化到 [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] ;x = sin t x=\sin t x = sin t 例 4.24
a n = ∫ 0 1 x n ⋯ a_n=\int_0^1x^n\cdots a n = ∫ 0 1 x n ⋯ (含 n n n )分部得递推;比较被积函数得单调 分出一部分凑 d v \dd v d v 例 4.25 、例 4.26
∫ x f ′ ′ ( x ) d x \int xf\,''(x)\dx ∫ x f ′′ ( x ) d x + 切线条件分部,边界项用 f ( a ) , f ′ ( a ) f(a),f'(a) f ( a ) , f ′ ( a ) 先把条件翻译成函数值、导数值 例 4.7 、例 4.10
只知道 f ′ f' f ′ ,求 ∫ a b f \int_a^bf ∫ a b f 分部,v = x − c v=x-c v = x − c 让边界项为 0 ∫ f d x = [ ( x − c ) f ] − ∫ ( x − c ) f ′ \int f\dx=[(x-c)f]-\int(x-c)f' ∫ f d x = [( x − c ) f ] − ∫ ( x − c ) f ′ 例 4.10
被积函数里有 ∫ c x h ( t ) d t \int_c^xh(t)\dt ∫ c x h ( t ) d t 分部,变限积分当 u u u v v v 取在 x = c x=c x = c 处为 0 的原函数例 5.29 、例 5.30
被积函数里有 ∫ a b f \int_a^bf ∫ a b f 本身 设它为常数 A A A ,两边积分 f = ⋯ + A f=\cdots+A f = ⋯ + A 例 4.22 、例 6.26
x \sqrt x x 、⋯ \sqrt{\cdots} ⋯ 换元,上下限一起换 x = t 2 x=t^2 x = t 2 ,x : 0 → π 2 ⇒ t : 0 → π x:0\to\pi^2\Rightarrow t:0\to\pi x : 0 → π 2 ⇒ t : 0 → π 例 4.1
有理函数 部分分式;二次因式拆“导数 + 常数” 同 9.1 例 4.2 、例 4.4
“比较几个积分的大小” 回到被积函数 统一区间,作差判断符号 例 3.11 、例 3.9
lim ∑ 1 n f ( k n ) \lim\sum\frac1nf\big(\frac kn\big) lim ∑ n 1 f ( n k ) 定积分定义 提出 1 n \frac1n n 1 ,把 k n \frac kn n k 换成 x x x 例 3.13 、例 3.14
9.3 变限积分:先求导
被积函数长这样 用什么方法 第一步怎么写 例子
∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t \int_{\psi(x)}^{\varphi(x)}f(t)\dt ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t (被积函数不含 x x x )求导公式 上限代入乘上限导数,减下限的 例 5.1 、例 5.2
被积函数含 x x x ,能提出(( x − t ) f ( t ) (x-t)f(t) ( x − t ) f ( t ) 、x 2 f ( t ) x^2f(t) x 2 f ( t ) ) 提到积分号外,乘积法则 ∫ 0 x ( x − t ) f = x ∫ 0 x f − ∫ 0 x t f \int_0^x(x-t)f=x\int_0^xf-\int_0^xtf ∫ 0 x ( x − t ) f = x ∫ 0 x f − ∫ 0 x t f 例 5.26 、例 5.3
f ( x − t ) f(x-t) f ( x − t ) 、f ( x t ) f(xt) f ( x t ) 、t f ( x 2 − t 2 ) tf(x^2-t^2) t f ( x 2 − t 2 ) 换元把 x x x 挪到积分限上 u = x − t u=x-t u = x − t ;u = x t u=xt u = x t ;u = x 2 − t 2 u=x^2-t^2 u = x 2 − t 2 例 5.10 、例 5.8
0 0 \frac00 0 0 、∞ ∞ \frac\infty\infty ∞ ∞ 型极限,含变限积分等价化简后洛必达一次 分母先换等价无穷小 例 5.17 、例 5.18
几个变限积分比阶 阶 = (被积函数的阶 + 1)× 上限的阶 f ( t ) ∼ a t m f(t)\sim at^m f ( t ) ∼ a t m ,上限 ∼ b x n \sim bx^n ∼ b x n 例 5.20 、例 5.21
奇偶性、周期性 奇积成偶、偶积成奇(下限 0) 先判被积函数,再看上限 例 5.12 、例 5.15
单调、极值、拐点 求导看符号;或看主项 c x k cx^k c x k 把 f ′ f' f ′ 写成因子乘积 例 5.26 、例 5.27
f = φ ( x ) + ∫ 0 x f f=\varphi(x)+\int_0^xf f = φ ( x ) + ∫ 0 x f 求导得微分方程或递推 别忘了代 x = 0 x=0 x = 0 定初值 例 5.33
9.4 反常积分:先找问题点
被积函数长这样 用什么方法 第一步怎么写 例子
“下列哪个收敛/发散” 每个问题点和 1 x p \frac1{x^p} x p 1 比 无穷远 p > 1 p>1 p > 1 、瑕点 p < 1 p<1 p < 1 收敛 例 6.3 、例 6.4
收敛时参数的范围 每个问题点一个不等式,取交集 拆段,写出每段的主项 例 6.7 、例 6.9
ln x ( 1 + x ) 2 \frac{\ln x}{(1+x)^2} ( 1 + x ) 2 l n x 、ln ( 1 + x ) x 2 \frac{\ln(1+x)}{x^2} x 2 l n ( 1 + x ) 分部模子 ln \ln ln 当 u u u ,边界项取极限例 6.14 、例 6.16
1 二次式 \frac1{\text{二次式}} 二次式 1 有理模子 配方得 arctan;拆项得 ln(先合并再取极限) 例 6.15 、例 6.18
根号里有 ∣ ⋯ ∣ |\cdots| ∣ ⋯ ∣ ,或区间内部有零点 在零点处拆开 零点既是瑕点也是分段点 例 6.20 、例 6.23
x n e − x x^n\e^{-x} x n e − x 、e − x 2 \e^{-x^2} e − x 2 Γ 函数 ∫ 0 + ∞ x n e − x = n ! \int_0^{+\infty}x^n\e^{-x}=n! ∫ 0 + ∞ x n e − x = n ! 例 6.27
已知积分值求参数 算出来解方程,再查收敛 舍去让分母在区间内为 0 的根 例 6.24
9.5 应用题:先画图,再写微元
被积函数长这样 用什么方法 第一步怎么写 例子
上下两条曲线围成 ∫ ( 上 − 下 ) d x \int(\text{上}-\text{下})\dx ∫ ( 上 − 下 ) d x 求交点,定上下 例 7.2 、例 7.7
左右两条曲线(或竖切要分段) ∫ ( 右 − 左 ) d y \int(\text{右}-\text{左})\dy ∫ ( 右 − 左 ) d y 反解成 x = φ ( y ) x=\varphi(y) x = φ ( y ) 例 7.2 、例 7.16
极坐标 r = r ( θ ) r=r(\theta) r = r ( θ ) 1 2 ∫ r 2 d θ \frac12\int r^2\dth 2 1 ∫ r 2 d θ 定出 θ \theta θ 的范围 例 7.7
参数方程 ∫ y ( t ) x ′ ( t ) d t \int y(t)x'(t)\dt ∫ y ( t ) x ′ ( t ) d t t t t 的走向与 x x x 一致例 7.7 、例 7.17
绕 x x x 轴旋转 圆盘(垫圈) π ∫ ( y 上 2 − y 下 2 ) d x \pi\int(y_上^2-y_下^2)\dx π ∫ ( y 上 2 − y 下 2 ) d x 例 7.11 、例 7.13
绕 y y y 轴旋转 柱壳 2 π ∫ x ( y 上 − y 下 ) d x 2\pi\int x(y_上-y_下)\dx 2 π ∫ x ( y 上 − y 下 ) d x 例 7.10 、例 7.8
绕直线 x = k x=k x = k 、y = k y=k y = k 半径 = 到这条线的距离 横切或竖切,选不用分段的 例 7.16
弧长 ∫ 1 + y ′ 2 d x \int\sqrt{1+y'^2}\dx ∫ 1 + y ′2 d x 等根号里一般能开方 例 7.18 、例 7.22
旋转曲面面积 2 π ∫ y d s 2\pi\int y\,\dd s 2 π ∫ y d s 先把 d s \dd s d s 化简 例 7.23 、例 7.24
截面已知、柱体 ∫ A ( x ) d x \int A(x)\dx ∫ A ( x ) d x 写出截面的边长 例 7.25 、例 7.26
抽水做功 每层水重 × 提升距离 y y y 轴向下为深度例 7.27 、例 7.29
水压力 ρ g × \rho g\times ρ g × 深度 × 宽度写出深度 y y y 处的宽度 例 7.30
质心、形心 力矩 ÷ 质量(形心:÷ 面积) 竖条的质心在中点,高 f + g 2 \frac{f+g}2 2 f + g 例 7.27 、例 7.28
引力、克服引力做功 分解成分量,对称的抵消 d F = G m d M r 2 \dd F=\frac{Gm\dd M}{r^2} d F = r 2 G m d M 例 7.31 、例 7.32
面积、体积含参数求最值 写成参数的函数,求导 上下限含参数就是变限积分 例 7.4 、例 7.14
9.6 一页速查与自测
积分方法口诀(背下来)
先化简 :分段拆开,展开拆项,三角恒等变形,加一减一。
看里层 :里层的导数就在旁边 → 凑微分。
看根号 :一次式、指数在根号里 → 整个根号设成 t t t ;二次式在根号里 → 配方 + 三角代换。
看乘积 :两类函数相乘 → 分部,“反对幂指三”排前面的当 u u u 。
看分式 :多项式 ÷ 多项式 → 除法 + 部分分式;二次因式 → ln + arctan。
看三角 :奇次留一个凑微分,偶次降幂或 tan x \tan x tan x ,最后才万能代换。
定积分先看区间 :对称、周期、区间再现、华里士、几何意义,能不找原函数就不找。
反常积分先找问题点 :拆段,每段和 1 x p \frac1{x^p} x p 1 比。
例 9.1 基础
先只看形状说出方法,再算出来:(1)
∫ x 1 + x 4 d x \int\dfrac x{1+x^4}\dx ∫ 1 + x 4 x d x ;(2)
∫ x 2 e x d x \int x^2\e^x\dx ∫ x 2 e x d x ;(3)
∫ d x x 2 + 4 x + 13 \int\dfrac{\dx}{x^2+4x+13} ∫ x 2 + 4 x + 13 d x ;(4)
∫ 9 − x 2 d x \int\sqrt{9-x^2}\dx ∫ 9 − x 2 d x ;(5)
∫ d x 1 + x + 1 \int\dfrac{\dx}{1+\sqrt{x+1}} ∫ 1 + x + 1 d x ;(6)
∫ sin 3 x cos 2 x d x \int\sin^3x\cos^2x\dx ∫ sin 3 x cos 2 x d x ;(7)
∫ x arctan x d x \int x\arctan x\dx ∫ x arctan x d x ;(8)
∫ x + 1 x 2 ( x − 1 ) d x \int\dfrac{x+1}{x^2(x-1)}\dx ∫ x 2 ( x − 1 ) x + 1 d x ;(9)
∫ e x d x \int\e^{\sqrt x}\dx ∫ e x d x ;(10)
∫ d x 2 + cos x \int\dfrac{\dx}{2+\cos x} ∫ 2 + cos x d x 。
解答先遮住,自己试 5 分钟
① (1)(2)(3)。 (1)x d x = 1 2 d x 2 x\dx=\frac12\dd x^2 x d x = 2 1 d x 2 ,凑微分:1 2 arctan x 2 + C \dfrac12\arctan x^2+C 2 1 arctan x 2 + C 。(2)幂 × 指,分部(表格法):( x 2 − 2 x + 2 ) e x + C (x^2-2x+2)\e^x+C ( x 2 − 2 x + 2 ) e x + C 。(3)二次式不能分解,配方 ( x + 2 ) 2 + 9 (x+2)^2+9 ( x + 2 ) 2 + 9 :1 3 arctan x + 2 3 + C \dfrac13\arctan\dfrac{x+2}3+C 3 1 arctan 3 x + 2 + C 。
(1)分母里 x 4 = ( x 2 ) 2 x^4=(x^2)^2 x 4 = ( x 2 ) 2 、分子有 x x x ,是 9.1 表“x n − 1 f ( x n ) x^{n-1}f(x^n) x n − 1 f ( x n ) ”那一行;(3)是“B x + C x 2 + p x + q \frac{Bx+C}{x^2+px+q} x 2 + p x + q B x + C ”的 B = 0 B=0 B = 0 情形。
② (4)(5)(6)。 (4)a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 ,x = 3 sin t x=3\sin t x = 3 sin t :9 2 arcsin x 3 + x 2 9 − x 2 + C \dfrac92\arcsin\dfrac x3+\dfrac x2\sqrt{9-x^2}+C 2 9 arcsin 3 x + 2 x 9 − x 2 + C 。(5)一次式在根号里,t = x + 1 t=\sqrt{x+1} t = x + 1 :2 x + 1 − 2 ln ( 1 + x + 1 ) + C 2\sqrt{x+1}-2\ln(1+\sqrt{x+1})+C 2 x + 1 − 2 ln ( 1 + x + 1 ) + C 。(6)sin \sin sin 奇次,凑 d cos x \dd\cos x d cos x :− cos 3 x 3 + cos 5 x 5 + C -\dfrac{\cos^3x}3+\dfrac{\cos^5x}5+C − 3 cos 3 x + 5 cos 5 x + C 。
(5)一次式在根号里,整个根号设成 t t t ;(6)sin \sin sin 是奇次,留一个 sin x \sin x sin x 和 d x \dx d x 凑成 − d cos x -\dd\cos x − d cos x ,其余的 sin 2 x \sin^2x sin 2 x 换成 1 − cos 2 x 1-\cos^2x 1 − cos 2 x 。
③ (7)(8)。 (7)幂 × 反三角,反三角当 u u u :x 2 + 1 2 arctan x − x 2 + C \dfrac{x^2+1}2\arctan x-\dfrac x2+C 2 x 2 + 1 arctan x − 2 x + C 。(8)有理函数,x + 1 x 2 ( x − 1 ) = − 2 x − 1 x 2 + 2 x − 1 \dfrac{x+1}{x^2(x-1)}=-\dfrac2x-\dfrac1{x^2}+\dfrac2{x-1} x 2 ( x − 1 ) x + 1 = − x 2 − x 2 1 + x − 1 2 :− 2 ln ∣ x ∣ + 1 x + 2 ln ∣ x − 1 ∣ + C -2\ln|x|+\dfrac1x+2\ln|x-1|+C − 2 ln ∣ x ∣ + x 1 + 2 ln ∣ x − 1∣ + C 。
(7)x d x = d x 2 + 1 2 x\dx=\dd\frac{x^2+1}2 x d x = d 2 x 2 + 1 (加 1 是为了约掉 1 1 + x 2 \frac1{1+x^2} 1 + x 2 1 );(8)设 A x + B x 2 + C x − 1 \frac Ax+\frac B{x^2}+\frac C{x-1} x A + x 2 B + x − 1 C :乘 x − 1 x-1 x − 1 代 x = 1 x=1 x = 1 得 C = 2 C=2 C = 2 ;乘 x 2 x^2 x 2 代 x = 0 x=0 x = 0 得 B = − 1 B=-1 B = − 1 ;通分后比较 x 2 x^2 x 2 的系数 A + C = 0 A+C=0 A + C = 0 ,得 A = − 2 A=-2 A = − 2 。
④ (9)(10)。 (9)先换元 t = x t=\sqrt x t = x 再分部:2 ( x − 1 ) e x + C 2(\sqrt x-1)\e^{\sqrt x}+C 2 ( x − 1 ) e x + C 。(10)三角有理式,奇偶法不适用,万能代换:2 3 arctan ( 1 3 tan x 2 ) + C \dfrac2{\sqrt3}\arctan\Big(\dfrac1{\sqrt3}\tan\dfrac x2\Big)+C 3 2 arctan ( 3 1 tan 2 x ) + C 。
(9)先换元去掉根号,得到“幂 × 指”,再分部;(10)分母是 cos x \cos x cos x 加常数,奇偶法用不上,只能万能代换,化成 1 3 + t 2 \frac1{3+t^2} 3 + t 2 1 型。
答案:方法依次为:凑微分、分部、配方、三角代换、根式代换、奇次凑微分、分部、部分分式、换元 + 分部、万能代换。结果(都要 + C +C + C ):(1)1 2 arctan x 2 \frac12\arctan x^2 2 1 arctan x 2 ;(2)( x 2 − 2 x + 2 ) e x (x^2-2x+2)\e^x ( x 2 − 2 x + 2 ) e x ;(3)1 3 arctan x + 2 3 \frac13\arctan\frac{x+2}3 3 1 arctan 3 x + 2 ;(4)9 2 arcsin x 3 + x 2 9 − x 2 \frac92\arcsin\frac x3+\frac x2\sqrt{9-x^2} 2 9 arcsin 3 x + 2 x 9 − x 2 ;(5)2 x + 1 − 2 ln ( 1 + x + 1 ) 2\sqrt{x+1}-2\ln(1+\sqrt{x+1}) 2 x + 1 − 2 ln ( 1 + x + 1 ) ;(6)− cos 3 x 3 + cos 5 x 5 -\frac{\cos^3x}3+\frac{\cos^5x}5 − 3 c o s 3 x + 5 c o s 5 x ;(7)x 2 + 1 2 arctan x − x 2 \frac{x^2+1}2\arctan x-\frac x2 2 x 2 + 1 arctan x − 2 x ;(8)− 2 ln ∣ x ∣ + 1 x + 2 ln ∣ x − 1 ∣ -2\ln|x|+\frac1x+2\ln|x-1| − 2 ln ∣ x ∣ + x 1 + 2 ln ∣ x − 1∣ ;(9)2 ( x − 1 ) e x 2(\sqrt x-1)\e^{\sqrt x} 2 ( x − 1 ) e x ;(10)2 3 arctan ( 1 3 tan x 2 ) \frac2{\sqrt3}\arctan\big(\frac1{\sqrt3}\tan\frac x2\big) 3 2 arctan ( 3 1 tan 2 x )
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第 10 部分
二级结论与反例库
把前面推出过的现成结果集中起来:33 条二级结论(每条标出在哪道例题里推过)和 12 个常用反例。选择、填空直接用,解答题要写推导。
二级结论怎么用 “二级结论”是从基本公式推出来、做题时可以直接用的现成结果。选择题、填空题可以直接用;解答题要把推导写出来 (一般两三行,推导方法就在对应的例题里)。每一条都用程序单独核对过(页尾“核对方法”)。
10.1 不定积分的二级结论
# 结论 什么时候用 出处 / 例子
1 ∫ sec x d x = ln ∣ sec x + tan x ∣ + C \int\sec x\dx=\ln|\sec x+\tan x|+C ∫ sec x d x = ln ∣ sec x + tan x ∣ + C ,∫ csc x d x = ln ∣ csc x − cot x ∣ + C \int\csc x\dx=\ln|\csc x-\cot x|+C ∫ csc x d x = ln ∣ csc x − cot x ∣ + C 三角代换后常出现 ∫ sec t d t \int\sec t\dt ∫ sec t d t 例 2.2
2 ∫ d x x 2 ± a 2 = ln ∣ x + x 2 ± a 2 ∣ + C \int\dfrac{\dx}{\sqrt{x^2\pm a^2}}=\ln\big|x+\sqrt{x^2\pm a^2}\big|+C ∫ x 2 ± a 2 d x = ln x + x 2 ± a 2 + C 省去三角代换 例 2.8
3 ∫ a 2 − x 2 d x = a 2 2 arcsin x a + x 2 a 2 − x 2 + C \int\sqrt{a^2-x^2}\dx=\dfrac{a^2}2\arcsin\dfrac xa+\dfrac x2\sqrt{a^2-x^2}+C ∫ a 2 − x 2 d x = 2 a 2 arcsin a x + 2 x a 2 − x 2 + C 半圆下的面积 = 扇形 + 三角形 例 2.8
4 ∫ e a x sin b x d x = e a x ( a sin b x − b cos b x ) a 2 + b 2 + C \int\e^{ax}\sin bx\dx=\dfrac{\e^{ax}(a\sin bx-b\cos bx)}{a^2+b^2}+C ∫ e a x sin b x d x = a 2 + b 2 e a x ( a sin b x − b cos b x ) + C ,∫ e a x cos b x d x = e a x ( a cos b x + b sin b x ) a 2 + b 2 + C \int\e^{ax}\cos bx\dx=\dfrac{\e^{ax}(a\cos bx+b\sin bx)}{a^2+b^2}+C ∫ e a x cos b x d x = a 2 + b 2 e a x ( a cos b x + b sin b x ) + C 填空题直接写,省去两次分部 例 2.15
5 ∫ e x [ f ( x ) + f ′ ( x ) ] d x = e x f ( x ) + C \int\e^x\big[f(x)+f'(x)\big]\dx=\e^xf(x)+C ∫ e x [ f ( x ) + f ′ ( x ) ] d x = e x f ( x ) + C 看到“一个函数加它的导数”乘 e x \e^x e x 例 2.26
6 ∫ [ x f ′ ( x ) + f ( x ) ] d x = x f ( x ) + C \int\big[xf'(x)+f(x)\big]\dx=xf(x)+C ∫ [ x f ′ ( x ) + f ( x ) ] d x = x f ( x ) + C ;∫ f − 1 ( x ) d x = x f − 1 ( x ) − F ( f − 1 ( x ) ) + C \int f^{-1}(x)\dx=xf^{-1}(x)-F\big(f^{-1}(x)\big)+C ∫ f − 1 ( x ) d x = x f − 1 ( x ) − F ( f − 1 ( x ) ) + C 抽象函数、反函数的积分 例 2.28
7 ∫ a sin x + b cos x c sin x + d cos x d x = A x + B ln ∣ c sin x + d cos x ∣ + C \int\dfrac{a\sin x+b\cos x}{c\sin x+d\cos x}\dx=Ax+B\ln|c\sin x+d\cos x|+C ∫ c sin x + d cos x a sin x + b cos x d x = A x + B ln ∣ c sin x + d cos x ∣ + C ,其中 a sin x + b cos x = A ( 分母 ) + B ( 分母 ) ′ a\sin x+b\cos x=A(\text{分母})+B(\text{分母})' a sin x + b cos x = A ( 分母 ) + B ( 分母 ) ′ 分子分母都是 sin , cos \sin,\cos sin , cos 的一次式 例 2.23
8 分段函数(在 x 0 x_0 x 0 连续)的原函数:右段要加 F 1 ( x 0 ) − F 2 ( x 0 ) F_1(x_0)-F_2(x_0) F 1 ( x 0 ) − F 2 ( x 0 ) 选择题判断哪个是原函数 例 1.11
9 ∫ 0 π / 2 sin n x d x \int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx ∫ 0 π /2 sin n x d x 的递推 I n = n − 1 n I n − 2 I_n=\frac{n-1}nI_{n-2} I n = n n − 1 I n − 2 ;∫ 0 π / 4 tan n x d x \int_0^{\pi/4}\tan^nx\dx ∫ 0 π /4 tan n x d x 满足 I n + I n − 2 = 1 n − 1 I_n+I_{n-2}=\frac1{n-1} I n + I n − 2 = n − 1 1 含 n n n 的积分 例 2.16 、例 4.26
10.2 定积分的二级结论
# 结论 什么时候用 出处 / 例子
10 ∫ − a a f ( x ) d x = ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] d x \int_{-a}^af(x)\dx=\int_0^a\big[f(x)+f(-x)\big]\dx ∫ − a a f ( x ) d x = ∫ 0 a [ f ( x ) + f ( − x ) ] d x ;若 f ( x ) + f ( − x ) = A f(x)+f(-x)=A f ( x ) + f ( − x ) = A 、g g g 偶,则 ∫ − a a f g = A ∫ 0 a g \int_{-a}^afg=A\int_0^ag ∫ − a a f g = A ∫ 0 a g 对称区间、被积函数不奇不偶 例 4.15
11 ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( a + b − x ) d x \int_a^bf(x)\dx=\int_a^bf(a+b-x)\dx ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( a + b − x ) d x 区间再现,与原积分相加 例 4.21
12 ∫ 0 π / 2 f ( sin x ) d x = ∫ 0 π / 2 f ( cos x ) d x \int_0^{\pi/2}f(\sin x)\dx=\int_0^{\pi/2}f(\cos x)\dx ∫ 0 π /2 f ( sin x ) d x = ∫ 0 π /2 f ( cos x ) d x ;∫ 0 π / 2 sin α x sin α x + cos α x d x = π 4 \int_0^{\pi/2}\dfrac{\sin^\alpha x}{\sin^\alpha x+\cos^\alpha x}\dx=\dfrac\pi4 ∫ 0 π /2 sin α x + cos α x sin α x d x = 4 π [ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 上 sin \sin sin 与 cos \cos cos 对称出现例 4.21
13 ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = π 2 ∫ 0 π f ( sin x ) d x \int_0^\pi xf(\sin x)\dx=\dfrac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)\dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = 2 π ∫ 0 π f ( sin x ) d x 被积函数是 x x x 乘 sin x \sin x sin x 的函数 例 4.21 、例 4.22
14 华里士:∫ 0 π / 2 sin n x d x = n − 1 n ⋅ n − 3 n − 2 ⋯ ( π 2 或 1 ) \int_0^{\pi/2}\sin^nx\dx=\frac{n-1}n\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\big(\frac\pi2\text{ 或 }1\big) ∫ 0 π /2 sin n x d x = n n − 1 ⋅ n − 2 n − 3 ⋯ ( 2 π 或 1 ) ;∫ 0 π sin n = 2 ∫ 0 π / 2 sin n \int_0^\pi\sin^n=2\int_0^{\pi/2}\sin^n ∫ 0 π sin n = 2 ∫ 0 π /2 sin n sin n \sin^n sin n 、cos n \cos^n cos n 、x m 1 − x 2 x^m\sqrt{1-x^2} x m 1 − x 2 例 4.24
15 f f f 以 T T T 为周期:∫ a a + T f = ∫ 0 T f \int_a^{a+T}f=\int_0^Tf ∫ a a + T f = ∫ 0 T f ,∫ 0 n T f = n ∫ 0 T f \int_0^{nT}f=n\int_0^Tf ∫ 0 n T f = n ∫ 0 T f 周期函数、∣ sin x ∣ |\sin x| ∣ sin x ∣ 例 4.17 、例 4.20
16 ∫ 0 π / 2 ln sin x d x = − π 2 ln 2 \int_0^{\pi/2}\ln\sin x\dx=-\dfrac\pi2\ln2 ∫ 0 π /2 ln sin x d x = − 2 π ln 2 ;∫ 0 1 ln ( 1 + x ) 1 + x 2 d x = π 8 ln 2 \int_0^1\dfrac{\ln(1+x)}{1+x^2}\dx=\dfrac\pi8\ln2 ∫ 0 1 1 + x 2 ln ( 1 + x ) d x = 8 π ln 2 原函数不是初等函数的定积分 例 4.23
17 f ′ ′ ≥ 0 f''\ge0 f ′′ ≥ 0 ⇒ \Rightarrow ⇒ ( b − a ) f ( a + b 2 ) ≤ ∫ a b f ≤ ( b − a ) f ( a ) + f ( b ) 2 (b-a)f\big(\frac{a+b}2\big)\le\int_a^bf\le(b-a)\dfrac{f(a)+f(b)}2 ( b − a ) f ( 2 a + b ) ≤ ∫ a b f ≤ ( b − a ) 2 f ( a ) + f ( b ) 凹函数的积分比大小(曲线在切线上方、弦下方) 例 8.5 、例 3.12
18 ∣ f ′ ′ ∣ ≤ M |f''|\le M ∣ f ′′ ∣ ≤ M ⇒ \Rightarrow ⇒ ∣ ∫ 0 1 f − f ( 0 ) + f ( 1 ) 2 ∣ ≤ M 12 \left|\int_0^1f-\dfrac{f(0)+f(1)}2\right|\le\dfrac M{12} ∫ 0 1 f − 2 f ( 0 ) + f ( 1 ) ≤ 12 M 梯形公式的误差 例 8.6 、例 8.7
19 f ( a ) = f ( b ) = 0 f(a)=f(b)=0 f ( a ) = f ( b ) = 0 ,∣ f ′ ∣ ≤ M |f'|\le M ∣ f ′ ∣ ≤ M ⇒ \Rightarrow ⇒ ∣ ∫ a b f ∣ ≤ M 4 ( b − a ) 2 \left|\int_a^bf\right|\le\dfrac M4(b-a)^2 ∫ a b f ≤ 4 M ( b − a ) 2 估积分的上界 例 8.2
20 lim n → ∞ 1 n ∑ k = 1 n f ( k n ) = ∫ 0 1 f ( x ) d x \lim\limits_{n\to\infty}\dfrac1n\sum\limits_{k=1}^nf\Big(\dfrac kn\Big)=\int_0^1f(x)\dx n → ∞ lim n 1 k = 1 ∑ n f ( n k ) = ∫ 0 1 f ( x ) d x 和式极限 例 3.13
21 ∫ 0 1 x n ∣ ln x ∣ d x = 1 ( n + 1 ) 2 \int_0^1x^n|\ln x|\dx=\dfrac1{(n+1)^2} ∫ 0 1 x n ∣ ln x ∣ d x = ( n + 1 ) 2 1 积分数列求极限 例 8.14
22 ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x = a n \int_0^1x^n\sqrt{1-x^2}\dx=a_n ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x = a n 满足 a n = n − 1 n + 2 a n − 2 a_n=\frac{n-1}{n+2}a_{n-2} a n = n + 2 n − 1 a n − 2 ,a n a n − 1 → 1 \frac{a_n}{a_{n-1}}\to1 a n − 1 a n → 1 递推 例 4.25
10.3 变限积分、反常积分、应用的二级结论
# 结论 什么时候用 出处 / 例子
23 ( ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t ) ′ = f ( φ ) φ ′ − f ( ψ ) ψ ′ \Big(\int_{\psi(x)}^{\varphi(x)}f(t)\dt\Big)'=f(\varphi)\varphi'-f(\psi)\psi' ( ∫ ψ ( x ) φ ( x ) f ( t ) d t ) ′ = f ( φ ) φ ′ − f ( ψ ) ψ ′ 一切变限积分求导 例 5.1
24 f ( t ) ∼ a t m f(t)\sim at^m f ( t ) ∼ a t m ,φ ( x ) ∼ b x n \varphi(x)\sim bx^n φ ( x ) ∼ b x n ⇒ \Rightarrow ⇒ ∫ 0 φ ( x ) f ∼ a m + 1 ( b x n ) m + 1 \int_0^{\varphi(x)}f\sim\frac a{m+1}(bx^n)^{m+1} ∫ 0 φ ( x ) f ∼ m + 1 a ( b x n ) m + 1 ,阶 n ( m + 1 ) n(m+1) n ( m + 1 ) 比较变限积分的阶 例 5.20 、例 5.21
25 f f f 奇 ⇒ ∫ 0 x f \Rightarrow\int_0^xf ⇒ ∫ 0 x f 偶;f f f 偶 ⇒ ∫ 0 x f \Rightarrow\int_0^xf ⇒ ∫ 0 x f 奇奇偶性选择题 例 5.12 、例 5.14
26 f f f 以 T T T 为周期:∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 以 T T T 为周期 ⟺ ∫ 0 T f = 0 \iff\int_0^Tf=0 ⟺ ∫ 0 T f = 0 周期性选择题 例 5.12
27 lim x → + ∞ f ( x ) = A \lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=A x → + ∞ lim f ( x ) = A ⇒ \Rightarrow ⇒ lim x → + ∞ 1 x ∫ 0 x f = A \lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac1x\int_0^xf=A x → + ∞ lim x 1 ∫ 0 x f = A (反之不成立)平均值的极限 例 5.24
28 ∫ 1 + ∞ d x x p \int_1^{+\infty}\frac{\dx}{x^p} ∫ 1 + ∞ x p d x :p > 1 p>1 p > 1 收敛;∫ 0 1 d x x p \int_0^1\frac{\dx}{x^p} ∫ 0 1 x p d x :p < 1 p<1 p < 1 收敛判敛的尺子 例 6.3 、例 6.5
29 ∫ 2 + ∞ d x x ln p x \int_2^{+\infty}\frac{\dx}{x\ln^px} ∫ 2 + ∞ x l n p x d x :p > 1 p>1 p > 1 收敛对数型尺子 例 6.5 、例 6.8
30 ∫ 0 + ∞ d x x a ( 1 + x ) b \int_0^{+\infty}\frac{\dx}{x^a(1+x)^b} ∫ 0 + ∞ x a ( 1 + x ) b d x 收敛 ⟺ a < 1 \iff a<1 ⟺ a < 1 且 a + b > 1 a+b>1 a + b > 1 两头都有问题点的参数题 例 6.7
31 Γ ( n + 1 ) = ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! \Gamma(n+1)=\int_0^{+\infty}x^n\e^{-x}\dx=n! Γ ( n + 1 ) = ∫ 0 + ∞ x n e − x d x = n ! ,∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = π 2 \int_0^{+\infty}\e^{-x^2}\dx=\frac{\sqrt\pi}2 ∫ 0 + ∞ e − x 2 d x = 2 π ,∫ 0 + ∞ sin x x d x = ∫ 0 + ∞ sin 2 x x 2 d x = π 2 \int_0^{+\infty}\frac{\sin x}x\dx=\int_0^{+\infty}\frac{\sin^2x}{x^2}\dx=\frac\pi2 ∫ 0 + ∞ x s i n x d x = ∫ 0 + ∞ x 2 s i n 2 x d x = 2 π 常用反常积分的值 例 6.27
32 绕 y y y 轴:V y = 2 π ∫ a b x ∣ f ( x ) ∣ d x V_y=2\pi\int_a^bx|f(x)|\dx V y = 2 π ∫ a b x ∣ f ( x ) ∣ d x (0 ≤ a < b 0\le a<b 0 ≤ a < b ) 柱壳法 例 7.8 、例 7.9
33 摆线一拱:面积 3 π a 2 3\pi a^2 3 π a 2 ,V x = 5 π 2 a 3 V_x=5\pi^2a^3 V x = 5 π 2 a 3 ,V y = 6 π 3 a 3 V_y=6\pi^3a^3 V y = 6 π 3 a 3 ;心形线 r = a ( 1 + cos θ ) r=a(1+\cos\theta) r = a ( 1 + cos θ ) 面积 3 2 π a 2 \frac32\pi a^2 2 3 π a 2 常见曲线的现成结果 例 7.7 、例 7.17
10.4 反例库:这些“看起来对”的说法是错的
# 错误说法 反例 在哪里用到
1 可积 ⇒ \Rightarrow ⇒ 有原函数 sgn x \operatorname{sgn}x sgn x 在 [ − 1 , 1 ] [-1,1] [ − 1 , 1 ] 上可积,但没有原函数例 3.2 、例 1.8
2 有原函数 ⇒ \Rightarrow ⇒ 连续 F = x 2 sin 1 x F=x^2\sin\frac1x F = x 2 sin x 1 的导数在 0 处振荡间断,却有原函数 F F F 例 1.10
3 f f f 有跳跃点 ⇒ ∫ 0 x f \Rightarrow\int_0^xf ⇒ ∫ 0 x f 不连续∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 仍连续,只是在跳跃点不可导例 5.13 、例 1.9
4 奇函数在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) ( − ∞ , + ∞ ) 上的积分为 0 ∫ − ∞ + ∞ x 1 + x 2 d x \int_{-\infty}^{+\infty}\frac x{1+x^2}\dx ∫ − ∞ + ∞ 1 + x 2 x d x 发散例 6.1
5 ∫ f 2 \int f^2 ∫ f 2 收敛 ⇒ ∫ f \Rightarrow\int f ⇒ ∫ f 收敛f = 1 1 + x f=\frac1{1+x} f = 1 + x 1 例 6.12
6 ∫ 0 + ∞ f \int_0^{+\infty}f ∫ 0 + ∞ f 收敛(f ≥ 0 f\ge0 f ≥ 0 )⇒ \Rightarrow ⇒ 有 p > 1 p>1 p > 1 使 x p f x^pf x p f 有界f = 1 ( x + 2 ) ln 2 ( x + 2 ) f=\frac1{(x+2)\ln^2(x+2)} f = ( x + 2 ) l n 2 ( x + 2 ) 1 例 6.12
7 lim f ( x ) \lim f(x) lim f ( x ) 存在 ⇒ lim f ′ ( x ) \Rightarrow\lim f'(x) ⇒ lim f ′ ( x ) 存在f = sin x 2 x + 1 f=\frac{\sin x^2}{x+1} f = x + 1 s i n x 2 例 5.24
8 lim 1 x ∫ 0 x f \lim\frac1x\int_0^xf lim x 1 ∫ 0 x f 存在 ⇒ lim f \Rightarrow\lim f ⇒ lim f 存在f = sin x f=\sin x f = sin x 例 5.24
9 f f f 是周期函数 ⇒ ∫ 0 x f \Rightarrow\int_0^xf ⇒ ∫ 0 x f 是周期函数f = e cos x f=\e^{\cos x} f = e c o s x :∫ 0 2 π f > 0 \int_0^{2\pi}f>0 ∫ 0 2 π f > 0 例 5.12
10 ∫ 0 1 f = 0 \int_0^1f=0 ∫ 0 1 f = 0 且 f ′ < 0 f'<0 f ′ < 0 ⇒ f ( 1 2 ) < 0 \Rightarrow f(\frac12)<0 ⇒ f ( 2 1 ) < 0 f = 1 2 − x f=\frac12-x f = 2 1 − x ,f ( 1 2 ) = 0 f(\frac12)=0 f ( 2 1 ) = 0 例 3.7
11 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上 1 + cos x > 1 + sin x 1+\cos x>1+\sin x 1 + cos x > 1 + sin x 只在 x < π 4 x<\frac\pi4 x < 4 π 时成立 例 3.11
12 ln ∣ 2 + a ∣ 2 = ln 2 \ln\frac{|2+a|}2=\ln2 ln 2 ∣2 + a ∣ = ln 2 的两个根都对a = − 6 a=-6 a = − 6 使被积函数在 x = 3 x=3 x = 3 处无界,积分发散例 6.24
10.5 小结:什么时候想到二级结论
看到 想到 例子
e x ( ⋯ ) \e^x(\cdots) e x ( ⋯ ) 且括号里是“函数 + 导数”第 5 条 例 2.26
对称区间、1 1 + e x \frac1{1+\e^x} 1 + e x 1 、arctan e x \arctan\e^x arctan e x 第 10 条 例 4.15
[ 0 , π 2 ] [0,\frac\pi2] [ 0 , 2 π ] 、[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上的三角积分第 11—14 条 例 4.21 、例 4.24
f ′ ′ f'' f ′′ 有符号或有界,比较积分与函数值第 17—18 条 例 8.5 、例 8.6
变限积分比阶、判奇偶 第 24—26 条 例 5.20 、例 5.12
反常积分含参数 第 28—30 条 例 6.7
选择题问“一定成立的是” 先翻反例库 例 6.12 、例 5.24
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第 11 部分
易错清单
把前面每一节“最容易错”汇总成一张清单:36 条,每条都给出正确做法和可以回看的例题。考前过一遍。
11.1 计算不定积分时
# 容易这样错 正确的做法 看这道例题
1 最后忘了 + C +C + C ;分段函数每段各写一个 C C C 就交卷 分段积分后用连续性把常数粘成一个 例 1.11
2 ∫ d x x = ln x + C \int\frac{\dx}x=\ln x+C ∫ x d x = ln x + C ln ∣ x ∣ + C \ln|x|+C ln ∣ x ∣ + C ;∫ tan x d x = − ln ∣ cos x ∣ + C \int\tan x\dx=-\ln|\cos x|+C ∫ tan x d x = − ln ∣ cos x ∣ + C 也要绝对值例 2.2
3 凑微分漏系数:∫ e 3 x d x = e 3 x + C \int\e^{3x}\dx=\e^{3x}+C ∫ e 3 x d x = e 3 x + C d ( 3 x ) = 3 d x \dd(3x)=3\dx d ( 3 x ) = 3 d x ,前面补 1 3 \frac13 3 1 例 2.1
4 换元只换了被积函数,没换 d x \dd x d x ;最后没把 t t t 代回 反解 x = ψ ( t ) x=\psi(t) x = ψ ( t ) ,写出 d x = ψ ′ ( t ) d t \dd x=\psi'(t)\dt d x = ψ ′ ( t ) d t ,算完代回 例 2.5
5 三角代换回代时开方符号错 由 t t t 的范围定 cos t \cos t cos t 、tan t \tan t tan t 的正负;画辅助三角形 例 2.9 、例 4.6
6 分部积分 u u u 选反,越积越复杂 “反对幂指三”,排在前面的当 u u u 例 2.12
7 循环积分第二次换了 u u u 的类型,得到 0 = 0 0=0 0 = 0 两次都让同一类函数进 d v \dd v d v 例 2.13
8 部分分式漏项:( x − 1 ) 2 (x-1)^2 ( x − 1 ) 2 只写 B ( x − 1 ) 2 \frac B{(x-1)^2} ( x − 1 ) 2 B ;二次因式分子只写常数 A x − 1 + B ( x − 1 ) 2 \frac A{x-1}+\frac B{(x-1)^2} x − 1 A + ( x − 1 ) 2 B ;二次因式配 C x + D Cx+D C x + D 例 2.19
9 三角有理式一上来就用万能代换,算不下去 先看奇偶:奇次凑微分,偶次降幂或 tan x \tan x tan x 例 2.21
10 答案和书上长得不一样,以为算错 求导验算;原函数之间可以差一个常数 例 1.2 、例 2.22
11.2 计算定积分、变限积分、反常积分时
# 容易这样错 正确的做法 看这道例题
11 换元不换限;或者换了限又把变量代回去 上下限随变量一起换,算完直接代新限 例 4.1
12 分部积分丢了边界项 u v ∣ a b uv\big|_a^b uv a b 边界项先算,常常用到题目给的 f ( a ) f(a) f ( a ) 、f ′ ( a ) f'(a) f ′ ( a ) 例 4.7
13 区间内部有瑕点,直接用牛顿—莱布尼茨 先找瑕点,拆开分别取极限 例 6.23 、例 6.20
14 1 − sin 2 x = sin x − cos x \sqrt{1-\sin2x}=\sin x-\cos x 1 − sin 2 x = sin x − cos x a 2 = ∣ a ∣ \sqrt{a^2}=|a| a 2 = ∣ a ∣ ,按符号拆区间或用周期例 4.20
15 华里士公式:偶数忘乘 π 2 \frac\pi2 2 π ;[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上 cos \cos cos 的奇次方也套公式 偶数乘 π 2 \frac\pi2 2 π ,奇数乘 1;∫ 0 π cos 2 k + 1 = 0 \int_0^\pi\cos^{2k+1}=0 ∫ 0 π cos 2 k + 1 = 0 例 4.24
16 比大小时只在区间的一部分上验证了不等式 在整个积分区间上判断被积函数的符号 例 3.11
17 和式极限的宽度与份数不匹配 宽度 = 1/份数;代 f ≡ 1 f\equiv1 f ≡ 1 检验 例 3.14
18 变限积分求导忘了乘上限的导数 ( ∫ 0 φ ( x ) f ) ′ = f ( φ ) φ ′ \big(\int_0^{\varphi(x)}f\big)'=f(\varphi)\varphi' ( ∫ 0 φ ( x ) f ) ′ = f ( φ ) φ ′ 例 5.1
19 被积函数里有 x x x ,直接套求导公式 先把 x x x 提出去或换元挪到积分限上 例 5.26 、例 5.8
20 只知道 f f f 连续(或只在一点可导),却洛必达两次 洛必达一次后用导数定义或积分中值定理 例 5.8
21 分段点处用求导公式算 g ′ ( 0 ) g'(0) g ′ ( 0 ) 分段点用导数定义 例 5.10
22 下限不是 0 也用“奇积成偶” ∫ a x f = ∫ 0 x f + \int_a^xf=\int_0^xf+ ∫ a x f = ∫ 0 x f + 常数,奇函数加常数不再奇例 5.12
23 反常积分只看了一个问题点 找全所有问题点,每段各判 例 6.7
24 ∫ − ∞ + ∞ \int_{-\infty}^{+\infty} ∫ − ∞ + ∞ 奇函数直接写 0两段都收敛才能用对称性 例 6.1
25 拆项后写 lim [ ln x − ln ( x + 1 ) ] = ∞ − ∞ \lim[\ln x-\ln(x+1)]=\infty-\infty lim [ ln x − ln ( x + 1 )] = ∞ − ∞ ,说发散 先合并成 ln x x + 1 \ln\frac x{x+1} ln x + 1 x 再取极限 例 6.14
26 由积分值解出参数后不检查收敛 检查分母在积分区间内有没有零点 例 6.24
11.3 应用题与证明题
# 容易这样错 正确的做法 看这道例题
27 垫圈体积写成 π ( y 上 − y 下 ) 2 \pi(y_上-y_下)^2 π ( y 上 − y 下 ) 2 π ( y 上 2 − y 下 2 ) \pi(y_上^2-y_下^2) π ( y 上 2 − y 下 2 ) ;或“大体积减小体积”例 7.2
28 柱壳漏了 2 π 2\pi 2 π ;绕 x = k x=k x = k 时半径还写 x x x 半径永远是到旋转轴的距离 例 7.16 、例 7.8
29 侧面积写成 2 π ∫ y d x 2\pi\int y\dx 2 π ∫ y d x 2 π ∫ y 1 + y ′ 2 d x 2\pi\int y\sqrt{1+y'^2}\dx 2 π ∫ y 1 + y ′2 d x 例 7.22
30 极坐标面积漏 1 2 \frac12 2 1 ;参数方程 t t t 的走向与 x x x 相反 1 2 ∫ r 2 d θ \frac12\int r^2\dth 2 1 ∫ r 2 d θ ;让 x x x 从左到右例 7.7
31 “从罐底量起”的油深直接当坐标 换到以椭圆中心为原点的坐标 例 7.25
32 引力直接按大小积分,不分解 先分解成分量,对称的分量抵消 例 7.32 、例 7.31
33 水压力的压强写成 ρ g \rho g ρ g 压强 = ρ g × \rho g\times ρ g × 深度 例 7.30
34 泰勒展开点选错,一次项消不掉 结论有中点值就在中点展开;有两端值就在 x x x 处展开 例 8.5 、例 8.6
35 把泰勒余项、中值定理里的 ξ \xi ξ 当成固定常数 ξ \xi ξ 随 x x x (或区间)变化,只能用它的范围或 f ′ ′ f'' f ′′ 的界例 8.6
36 单调有界只证了单调(或只证了有界) 两样都要证 例 8.13 、例 8.15
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第 12 部分
真题索引
全部真题的索引:数一 39 道按年份排,数二、数三 82 道补充题,另有按小节的对照表和大纲逐条覆盖表。点任何一道都能跳到正文里的完整解答。
12.1 数一真题:按年份
2010—2026 年数一卷子里归在一元积分各讲下的 39 道题,全部在正文里做成了例题。“位置”是所在小节,最后一列点进去就是完整解答。
年份(题号) 题型 分值 考点 答案 位置 例题
2010(3) 选择 4 分 ∫ 0 1 ln 2 ( 1 − x ) m x n d x \int_0^1\frac{\sqrt[m]{\ln^2(1-x)}}{\sqrt[n]x}\dx ∫ 0 1 n x m l n 2 ( 1 − x ) d x 的敛散性与 m , n m,n m , n 的关系D 6.3 例 6.6
2010(9) 填空 4 分 x = e − t x=\e^{-t} x = e − t ,y = ∫ 0 t ln ( 1 + u 2 ) d u y=\int_0^t\ln(1+u^2)\du y = ∫ 0 t ln ( 1 + u 2 ) d u ,求 d 2 y d x 2 ∣ t = 0 \frac{\dd^2y}{\dd x^2}\big|_{t=0} d x 2 d 2 y t = 0 0 5.1 例 5.2
2010(10) 填空 4 分 ∫ 0 π 2 x cos x d x \int_0^{\pi^2}\sqrt x\cos\sqrt x\dx ∫ 0 π 2 x cos x d x − 4 π -4\pi − 4 π 4.1 例 4.1
2010(16) 解答 10 分 f ( x ) = ∫ 1 x 2 ( x 2 − t ) e − t 2 d t f(x)=\int_1^{x^2}(x^2-t)\e^{-t^2}\dt f ( x ) = ∫ 1 x 2 ( x 2 − t ) e − t 2 d t 的单调区间与极值减区间 ( − ∞ , − 1 ) (-\infty,-1) ( − ∞ , − 1 ) 、( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) ,增区间 ( − 1 , 0 ) (-1,0) ( − 1 , 0 ) 、( 1 , + ∞ ) (1,+\infty) ( 1 , + ∞ ) ;极小值 f ( ± 1 ) = 0 f(\pm1)=0 f ( ± 1 ) = 0 ,极大值 f ( 0 ) = 1 2 ( 1 − e − 1 ) f(0)=\frac12(1-\e^{-1}) f ( 0 ) = 2 1 ( 1 − e − 1 ) 5.5 例 5.26
2010(17) 解答 10 分 比较 ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t \int_0^1|\ln t|[\ln(1+t)]^n\dt ∫ 0 1 ∣ ln t ∣ [ ln ( 1 + t ) ] n d t 与 ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t \int_0^1t^n|\ln t|\dt ∫ 0 1 t n ∣ ln t ∣ d t ,求 lim u n \lim u_n lim u n lim u n = 0 \lim u_n=0 lim u n = 0 8.5 例 8.14
2011(4) 选择 4 分 ∫ 0 π / 4 ln sin x \int_0^{\pi/4}\ln\sin x ∫ 0 π /4 ln sin x 、ln cot x \ln\cot x ln cot x 、ln cos x \ln\cos x ln cos x 比大小B 3.4 例 3.8
2011(9) 填空 4 分 曲线 y = ∫ 0 x tan t d t y=\int_0^x\tan t\dt y = ∫ 0 x tan t d t (0 ≤ x ≤ π 4 0\le x\le\frac\pi4 0 ≤ x ≤ 4 π )的弧长 ln ( 1 + 2 ) \ln(1+\sqrt2) ln ( 1 + 2 ) 7.4 例 7.18
2011(18) 解答 10 分 1 n + 1 < ln ( 1 + 1 n ) < 1 n \frac1{n+1}<\ln\big(1+\frac1n\big)<\frac1n n + 1 1 < ln ( 1 + n 1 ) < n 1 ,1 + 1 2 + ⋯ + 1 n − ln n 1+\frac12+\cdots+\frac1n-\ln n 1 + 2 1 + ⋯ + n 1 − ln n 收敛证明题 8.5 例 8.13
2012(4) 选择 4 分 I k = ∫ 0 k π e x 2 sin x d x I_k=\int_0^{k\pi}\e^{x^2}\sin x\dx I k = ∫ 0 kπ e x 2 sin x d x 比大小D 3.4 例 3.9
2012(10) 填空 4 分 ∫ 0 2 x 2 x − x 2 d x \int_0^2x\sqrt{2x-x^2}\dx ∫ 0 2 x 2 x − x 2 d x π 2 \frac\pi2 2 π 4.3 例 4.12
2013(12) 填空 4 分 ∫ 1 + ∞ ln x ( 1 + x ) 2 d x \int_1^{+\infty}\frac{\ln x}{(1+x)^2}\dx ∫ 1 + ∞ ( 1 + x ) 2 l n x d x ln 2 \ln2 ln 2 6.4 例 6.14
2013(15) 解答 10 分 f ( x ) = ∫ 1 x ln ( t + 1 ) t d t f(x)=\int_1^x\frac{\ln(t+1)}t\dt f ( x ) = ∫ 1 x t l n ( t + 1 ) d t ,求 ∫ 0 1 f ( x ) x d x \int_0^1\frac{f(x)}{\sqrt x}\dx ∫ 0 1 x f ( x ) d x 8 − 2 π − 4 ln 2 8-2\pi-4\ln2 8 − 2 π − 4 ln 2 5.6 例 5.29
2014(10) 填空 4 分 周期为 4 的可导奇函数,f ′ ( x ) = 2 ( x − 1 ) f'(x)=2(x-1) f ′ ( x ) = 2 ( x − 1 ) (0 ≤ x ≤ 2 0\le x\le2 0 ≤ x ≤ 2 ),求 f ( 7 ) f(7) f ( 7 ) 1 1.6 例 1.15
2014(15) 解答 10 分 lim x → + ∞ ∫ 1 x [ t 2 ( e 1 / t − 1 ) − t ] d t x 2 ln ( 1 + 1 / x ) \lim\limits_{x\to+\infty}\frac{\int_1^x[t^2(\e^{1/t}-1)-t]\dt}{x^2\ln(1+1/x)} x → + ∞ lim x 2 l n ( 1 + 1/ x ) ∫ 1 x [ t 2 ( e 1/ t − 1 ) − t ] d t 1 2 \frac12 2 1 5.4 例 5.18
2015(10) 填空 4 分 ∫ − π / 2 π / 2 ( sin x 1 + cos x + ∣ x ∣ ) d x \int_{-\pi/2}^{\pi/2}\big(\frac{\sin x}{1+\cos x}+|x|\big)\dx ∫ − π /2 π /2 ( 1 + c o s x s i n x + ∣ x ∣ ) d x π 2 4 \frac{\pi^2}4 4 π 2 4.3 例 4.11
2016(1) 选择 4 分 ∫ 0 + ∞ d x x a ( 1 + x ) b \int_0^{+\infty}\frac{\dx}{x^a(1+x)^b} ∫ 0 + ∞ x a ( 1 + x ) b d x 收敛的条件C 6.3 例 6.7
2016(2) 选择 4 分 分段函数 2 ( x − 1 ) 2(x-1) 2 ( x − 1 ) / ln x \ln x ln x 的原函数 D 1.5 例 1.11
2016(9) 填空 4 分 lim x → 0 ∫ 0 x t ln ( 1 + t sin t ) d t 1 − cos x 2 \lim\limits_{x\to0}\frac{\int_0^xt\ln(1+t\sin t)\dt}{1-\cos x^2} x → 0 lim 1 − c o s x 2 ∫ 0 x t l n ( 1 + t s i n t ) d t 1 2 \frac12 2 1 5.4 例 5.17
2017(4) 选择 4 分 速度曲线下的面积:乙何时追上甲 C 3.6 例 3.19
2017(16) 解答 10 分 lim ∑ k n 2 ln ( 1 + k n ) \lim\sum\frac k{n^2}\ln\big(1+\frac kn\big) lim ∑ n 2 k ln ( 1 + n k ) (定积分定义)1 4 \frac14 4 1 3.5 例 3.13
2018(4) 选择 4 分 M , N , K M,N,K M , N , K 三个对称区间积分比大小C 3.4 例 3.10
2018(10) 填空 4 分 ∫ 0 1 x f ′ ′ ( x ) d x \int_0^1xf''(x)\dx ∫ 0 1 x f ′′ ( x ) d x (相切条件)2 ln 2 − 2 2\ln2-2 2 ln 2 − 2 4.2 例 4.7
2018(15) 解答 10 分 ∫ e 2 x arctan e x − 1 d x \int\e^{2x}\arctan\sqrt{\e^x-1}\dx ∫ e 2 x arctan e x − 1 d x 1 2 e 2 x arctan e x − 1 − 1 6 ( e x + 2 ) e x − 1 + C \frac12\e^{2x}\arctan\sqrt{\e^x-1}-\frac16(\e^x+2)\sqrt{\e^x-1}+C 2 1 e 2 x arctan e x − 1 − 6 1 ( e x + 2 ) e x − 1 + C 2.7 例 2.24
2019(18) 解答 10 分 a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x a_n=\int_0^1x^n\sqrt{1-x^2}\dx a n = ∫ 0 1 x n 1 − x 2 d x 的递推与 lim a n a n − 1 \lim\frac{a_n}{a_{n-1}} lim a n − 1 a n 1 1 1 4.7 例 4.25
2020(1) 选择 4 分 四个变限积分无穷小比较阶 D 5.4 例 5.20
2021(4) 选择 5 分 哪个极限等于 ∫ 0 1 f ( x ) d x \int_0^1f(x)\dx ∫ 0 1 f ( x ) d x (定积分定义) B 3.5 例 3.14
2021(11) 填空 5 分 ∫ 0 + ∞ d x x 2 + 2 x + 2 \int_0^{+\infty}\frac{\dx}{x^2+2x+2} ∫ 0 + ∞ x 2 + 2 x + 2 d x π 4 \frac\pi4 4 π 6.4 例 6.15
2021(17) 解答 10 分 lim x → 0 ( 1 + ∫ 0 x e t 2 d t e x − 1 − 1 sin x ) \lim\limits_{x\to0}\Big(\frac{1+\int_0^x\e^{t^2}\dt}{\e^x-1}-\frac1{\sin x}\Big) x → 0 lim ( e x − 1 1 + ∫ 0 x e t 2 d t − s i n x 1 ) 1 2 \frac12 2 1 5.4 例 5.19
2022(4) 选择 5 分 I 1 , I 2 , I 3 I_1,I_2,I_3 I 1 , I 2 , I 3 三个 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上的积分比大小A 3.4 例 3.11
2022(12) 填空 5 分 ∫ 1 e 2 ln x x d x \int_1^{\e^2}\frac{\ln x}{\sqrt x}\dx ∫ 1 e 2 x l n x d x 4 4.2 例 4.8
2022(20) 解答 12 分 f ′ ′ ≥ 0 ⟺ f ( a + b 2 ) ≤ 1 b − a ∫ a b f f''\ge0\iff f\big(\frac{a+b}2\big)\le\frac1{b-a}\int_a^bf f ′′ ≥ 0 ⟺ f ( 2 a + b ) ≤ b − a 1 ∫ a b f 证明题 8.3 例 8.5
2023(14) 填空 5 分 f ( x + 2 ) − f ( x ) = x f(x+2)-f(x)=x f ( x + 2 ) − f ( x ) = x ,∫ 0 2 f = 0 \int_0^2f=0 ∫ 0 2 f = 0 ,求 ∫ 1 3 f \int_1^3f ∫ 1 3 f 1 2 \frac12 2 1 4.4 例 4.16
2024(1) 选择 5 分 ∫ 0 x e cos t d t \int_0^x\e^{\cos t}\dt ∫ 0 x e c o s t d t 与 ∫ 0 sin x e t 2 d t \int_0^{\sin x}\e^{t^2}\dt ∫ 0 s i n x e t 2 d t 的奇偶性C 5.3 例 5.12
2024(19) 解答 12 分 ∣ f ′ ′ ∣ ≤ 1 |f''|\le1 ∣ f ′′ ∣ ≤ 1 ,证 ∣ ∫ 0 1 f − f ( 0 ) + f ( 1 ) 2 ∣ ≤ 1 12 \big|\int_0^1f-\frac{f(0)+f(1)}2\big|\le\frac1{12} ∫ 0 1 f − 2 f ( 0 ) + f ( 1 ) ≤ 12 1 证明题 8.3 例 8.6
2025(1) 选择 5 分 ∫ 0 x e t 2 sin t d t \int_0^x\e^{t^2}\sin t\dt ∫ 0 x e t 2 sin t d t 与 ∫ 0 x e t 2 d t ⋅ sin 2 x \int_0^x\e^{t^2}\dt\cdot\sin^2x ∫ 0 x e t 2 d t ⋅ sin 2 x 的极值、拐点B 5.5 例 5.27
2025(3) 选择 5 分 lim f \lim f lim f 、lim f ′ \lim f' lim f ′ 、lim 1 x ∫ 0 x f \lim\frac1x\int_0^xf lim x 1 ∫ 0 x f 的关系D 5.4 例 5.24
2025(17) 解答 10 分 ∫ 0 1 d x ( x + 1 ) ( x 2 − 2 x + 2 ) \int_0^1\frac{\dx}{(x+1)(x^2-2x+2)} ∫ 0 1 ( x + 1 ) ( x 2 − 2 x + 2 ) d x 3 10 ln 2 + π 10 \frac3{10}\ln2+\frac\pi{10} 10 3 ln 2 + 10 π 4.1 例 4.2
2026(14) 填空 5 分 ∫ 1 + ∞ ln ( x + 1 ) x 2 d x \int_1^{+\infty}\frac{\ln(x+1)}{x^2}\dx ∫ 1 + ∞ x 2 l n ( x + 1 ) d x 2 ln 2 2\ln2 2 ln 2 6.4 例 6.16
2026(20) 解答 12 分 f f f 递增、∫ − 1 1 f = 0 \int_{-1}^1f=0 ∫ − 1 1 f = 0 ,证 a > 0 a>0 a > 0 及存在 F ′ ′ ( ξ ) = 0 F''(\xi)=0 F ′′ ( ξ ) = 0 证明题 8.4 例 8.8
12.2 按小节:每一节练哪些真题
复习某一节时,把这一行的真题全部重做一遍。
12.3 数二、数三补充真题
数一考得少、但大纲要求会的题型(几何与物理应用、反常积分的参数范围、变限积分的连续可导),用数二、数三的真题补齐,共 82 道。它们和数一的题难度相当,做法完全通用。
12.4 真题是怎么核对的
核对方法
题号 :按 Maki《考研数学真题分类精解》(2026 版)书末“年份索引”逐题查对,数一 2010—2026 年归在第十六至二十三讲(不定积分、特殊函数积分、定积分与变限积分、定积分的计算、反常积分、几何应用、物理应用、积分等式与不等式)的题一共 39 道,一道不漏。
题面 :对照书中题目页逐字核对;2017 数一(4) 的速度曲线按原题三块面积 10、20、3 重新画出(程序核对了三块面积)。
答案 :不照抄答案页,全部重新计算,再用程序独立核对(见页尾说明);选择题的每个错误选项都给了反例或数值。
分值 :按卷面结构计算:2010—2020 年选择、填空每题 4 分,第 15—19 题各 10 分,第 20—23 题各 11 分;2021 年起选择、填空每题 5 分,第 17 题 10 分,第 18—22 题各 12 分。
12.5 考点覆盖:大纲逐条对照
把李林讲义第五、六章的考试要求(大纲原文)拆成 25 个考点,每个考点列出在哪一节讲、有几道例题、其中几道是真题,以及数一考过哪几道。考点前的“五·1”指第五章第 1 条要求,原文见 0.2 节。这张表是程序从正文里数出来的:每个考点都至少有一道例题,否则页面生成时会报错。
“数一:—”的考点,数一 2010—2026 年没有专门考它的题:有的是每道计算题都要顺带用(如换元、分部、牛顿—莱布尼茨公式),有的是数一至今没考、但大纲要求会(如面积、体积、功、压力、形心),这些都用数二、数三的真题或李林的例题补上了。
12.6 小结:真题怎么刷
阶段 做什么 从哪里开始
第一遍(跟着 14 天计划) 每天只做计划里列的真题,遮住解答先做 5 分钟 0.4 节
第二遍(按小节) 12.2 表里一行一行过,做错的标 △ / ✗ 12.2 节
第三遍(按年份) 12.1 表从 2026 往回做,模拟考场限时 12.1 节
考前 只看 △ / ✗ 的题和第 9 部分的总表 9.1 节
学完了,标记这一部分
第 13 部分
综合练习
综合练习,大多来自李林讲义第五、六章的例题和章末习题。每题都给了分步提示和“为什么”,答案都经程序核对。
怎么做这些练习 练习按部分排序,大多来自李林讲义第五、六章的章末习题(标了题号)。先遮住“答案与提示”自己做,再对照;每一步都写了“为什么”。做完一题,回到第 9 部分的总表里找到它属于哪一行。
13.1 不定积分
练习 1 李林 第五章 习题 (1)(Ⅴ) · p122
求
∫ d x sin x cos x \int\dfrac{\dx}{\sqrt{\sin x}\cos x} ∫ sin x cos x d x (
0 < x < π 2 0<x<\frac\pi2 0 < x < 2 π )。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 上下同乘 cos x \cos x cos x ,凑 d sin x \dd\sin x d sin x 。 原式 = ∫ cos x d x sin x cos 2 x = ∫ d sin x sin x ( 1 − sin 2 x ) =\int\dfrac{\cos x\dx}{\sqrt{\sin x}\cos^2x}=\int\dfrac{\dd\sin x}{\sqrt{\sin x}(1-\sin^2x)} = ∫ sin x cos 2 x cos x d x = ∫ sin x ( 1 − sin 2 x ) d sin x 。
cos \cos cos 是奇次(− 1 -1 − 1 次),留一个 cos x \cos x cos x 凑 d sin x \dd\sin x d sin x ,其余化成 sin x \sin x sin x 。
② 令 u = sin x u=\sqrt{\sin x} u = sin x 。 sin x = u 2 \sin x=u^2 sin x = u 2 ,d sin x = 2 u d u \dd\sin x=2u\du d sin x = 2 u d u :∫ 2 d u 1 − u 4 = ∫ ( 1 1 − u 2 + 1 1 + u 2 ) d u \int\dfrac{2\du}{1-u^4}=\int\Big(\dfrac1{1-u^2}+\dfrac1{1+u^2}\Big)\du ∫ 1 − u 4 2 d u = ∫ ( 1 − u 2 1 + 1 + u 2 1 ) d u 。
还剩根号,再做一次根式代换;2 1 − u 4 \frac2{1-u^4} 1 − u 4 2 拆成两项。
③ 积分。 = 1 2 ln 1 + u 1 − u + arctan u + C =\dfrac12\ln\dfrac{1+u}{1-u}+\arctan u+C = 2 1 ln 1 − u 1 + u + arctan u + C ,u = sin x u=\sqrt{\sin x} u = sin x 。
积分表第 11 条与第 9 条。
答案:arctan sin x + 1 2 ln 1 + sin x 1 − sin x + C \arctan\sqrt{\sin x}+\frac12\ln\frac{1+\sqrt{\sin x}}{1-\sqrt{\sin x}}+C arctan sin x + 2 1 ln 1 − s i n x 1 + s i n x + C
练习 2 李林 第五章 习题 (2)(Ⅳ)(Ⅴ) · p122
求:(1)
∫ x 3 4 + x 2 d x \int\dfrac{x^3}{\sqrt{4+x^2}}\dx ∫ 4 + x 2 x 3 d x ;(2)
∫ 1 x 2 1 − x 1 + x d x \int\dfrac1{x^2}\sqrt{\dfrac{1-x}{1+x}}\dx ∫ x 2 1 1 + x 1 − x d x (
0 < x < 1 0<x<1 0 < x < 1 )。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 凑 d ( 4 + x 2 ) \dd(4+x^2) d ( 4 + x 2 ) 。 x 3 d x = 1 2 x 2 d ( x 2 ) x^3\dx=\dfrac12x^2\dd(x^2) x 3 d x = 2 1 x 2 d ( x 2 ) ,令 u = 4 + x 2 u=4+x^2 u = 4 + x 2 :1 2 ∫ u − 4 u d u = 1 3 u 3 2 − 4 u 1 2 + C \dfrac12\int\dfrac{u-4}{\sqrt u}\du=\dfrac13u^{\frac32}-4u^{\frac12}+C 2 1 ∫ u u − 4 d u = 3 1 u 2 3 − 4 u 2 1 + C 。
分子剩下的 x 2 x^2 x 2 用 u − 4 u-4 u − 4 表示。
② (2) 分子有理化。 1 − x 1 + x = 1 − x 1 − x 2 \sqrt{\dfrac{1-x}{1+x}}=\dfrac{1-x}{\sqrt{1-x^2}} 1 + x 1 − x = 1 − x 2 1 − x ,原式 = ∫ d x x 2 1 − x 2 − ∫ d x x 1 − x 2 =\int\dfrac{\dx}{x^2\sqrt{1-x^2}}-\int\dfrac{\dx}{x\sqrt{1-x^2}} = ∫ x 2 1 − x 2 d x − ∫ x 1 − x 2 d x 。
把根号里的分式变成一个根号,拆成两个熟悉的积分。
③ (2) 两个积分(倒代换或 x = sin t x=\sin t x = sin t )。 ∫ d x x 2 1 − x 2 = − 1 − x 2 x \int\dfrac{\dx}{x^2\sqrt{1-x^2}}=-\dfrac{\sqrt{1-x^2}}x ∫ x 2 1 − x 2 d x = − x 1 − x 2 ,∫ d x x 1 − x 2 = − ln 1 + 1 − x 2 x \int\dfrac{\dx}{x\sqrt{1-x^2}}=-\ln\dfrac{1+\sqrt{1-x^2}}x ∫ x 1 − x 2 d x = − ln x 1 + 1 − x 2 。
倒代换 x = 1 t x=\frac1t x = t 1 后都能凑微分(参考例 2.11 )。
答案:(1) 1 3 ( 4 + x 2 ) 3 2 − 4 4 + x 2 + C \frac13(4+x^2)^{\frac32}-4\sqrt{4+x^2}+C 3 1 ( 4 + x 2 ) 2 3 − 4 4 + x 2 + C ;(2) − 1 − x 2 x + ln 1 + 1 − x 2 x + C -\frac{\sqrt{1-x^2}}x+\ln\frac{1+\sqrt{1-x^2}}x+C − x 1 − x 2 + ln x 1 + 1 − x 2 + C
练习 3 李林 第五章 习题 (4)(5)(6) · p122
(1)已知
∫ x f ( x ) d x = arcsin x + C \int xf(x)\dx=\arcsin x+C ∫ x f ( x ) d x = arcsin x + C ,求
∫ d x f ( x ) \int\dfrac{\dx}{f(x)} ∫ f ( x ) d x 。(2)设
f ( x 2 − 1 ) = ln x 2 x 2 − 2 f(x^2-1)=\ln\dfrac{x^2}{x^2-2} f ( x 2 − 1 ) = ln x 2 − 2 x 2 ,且
f [ φ ( x ) ] = ln x f[\varphi(x)]=\ln x f [ φ ( x )] = ln x ,求
∫ φ ( x ) d x \int\varphi(x)\dx ∫ φ ( x ) d x 。(3)设
f ( ln x ) = ln ( 1 + x ) x f(\ln x)=\dfrac{\ln(1+x)}x f ( ln x ) = x ln ( 1 + x ) ,求
∫ f ( x ) d x \int f(x)\dx ∫ f ( x ) d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 求导得 f f f 。 x f ( x ) = 1 1 − x 2 xf(x)=\dfrac1{\sqrt{1-x^2}} x f ( x ) = 1 − x 2 1 ,1 f ( x ) = x 1 − x 2 \dfrac1{f(x)}=x\sqrt{1-x^2} f ( x ) 1 = x 1 − x 2 ,∫ x 1 − x 2 d x = − 1 3 ( 1 − x 2 ) 3 2 + C \int x\sqrt{1-x^2}\dx=-\dfrac13(1-x^2)^{\frac32}+C ∫ x 1 − x 2 d x = − 3 1 ( 1 − x 2 ) 2 3 + C 。
“先积后导”回到被积函数。
② (2) 先求 f f f ,再解出 φ \varphi φ 。 令 u = x 2 − 1 u=x^2-1 u = x 2 − 1 :f ( u ) = ln u + 1 u − 1 f(u)=\ln\dfrac{u+1}{u-1} f ( u ) = ln u − 1 u + 1 。ln φ + 1 φ − 1 = ln x \ln\dfrac{\varphi+1}{\varphi-1}=\ln x ln φ − 1 φ + 1 = ln x ,φ = x + 1 x − 1 = 1 + 2 x − 1 \varphi=\dfrac{x+1}{x-1}=1+\dfrac2{x-1} φ = x − 1 x + 1 = 1 + x − 1 2 ,∫ φ d x = x + 2 ln ∣ x − 1 ∣ + C \int\varphi\dx=x+2\ln|x-1|+C ∫ φ d x = x + 2 ln ∣ x − 1∣ + C 。
复合函数的“里层”换成字母,求出外层 f f f 。
③ (3) 令 t = ln x t=\ln x t = ln x 。 f ( t ) = ln ( 1 + e t ) e − t f(t)=\ln(1+\e^t)\e^{-t} f ( t ) = ln ( 1 + e t ) e − t 。分部:∫ ln ( 1 + e t ) d ( − e − t ) = − e − t ln ( 1 + e t ) + ∫ d t 1 + e t = − e − t ln ( 1 + e t ) + t − ln ( 1 + e t ) + C \int\ln(1+\e^t)\,\dd(-\e^{-t})=-\e^{-t}\ln(1+\e^t)+\int\dfrac{\dt}{1+\e^t}=-\e^{-t}\ln(1+\e^t)+t-\ln(1+\e^t)+C ∫ ln ( 1 + e t ) d ( − e − t ) = − e − t ln ( 1 + e t ) + ∫ 1 + e t d t = − e − t ln ( 1 + e t ) + t − ln ( 1 + e t ) + C 。
∫ d t 1 + e t = t − ln ( 1 + e t ) \int\frac{\dt}{1+\e^t}=t-\ln(1+\e^t) ∫ 1 + e t d t = t − ln ( 1 + e t ) (例 2.3 )。
答案:(1) − 1 3 ( 1 − x 2 ) 3 2 + C -\frac13(1-x^2)^{\frac32}+C − 3 1 ( 1 − x 2 ) 2 3 + C ;(2) x + 2 ln ∣ x − 1 ∣ + C x+2\ln|x-1|+C x + 2 ln ∣ x − 1∣ + C ;(3) x − ( 1 + e − x ) ln ( 1 + e x ) + C x-(1+\e^{-x})\ln(1+\e^x)+C x − ( 1 + e − x ) ln ( 1 + e x ) + C
练习 4 李林 第五章 习题 (7) · p122
求:(1)
∫ x 2 e x ( x + 2 ) 2 d x \int\dfrac{x^2\e^x}{(x+2)^2}\dx ∫ ( x + 2 ) 2 x 2 e x d x ;(2)
∫ ln x ( 1 − x ) 2 d x \int\dfrac{\ln x}{(1-x)^2}\dx ∫ ( 1 − x ) 2 ln x d x ;(3)
∫ x e x 1 + e x d x \int\dfrac{x\e^x}{\sqrt{1+\e^x}}\dx ∫ 1 + e x x e x d x ;(4)
∫ arctan x x 2 ( 1 + x 2 ) d x \int\dfrac{\arctan x}{x^2(1+x^2)}\dx ∫ x 2 ( 1 + x 2 ) arctan x d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 分部消项。 x 2 = ( x + 2 ) 2 − 4 ( x + 2 ) + 4 x^2=(x+2)^2-4(x+2)+4 x 2 = ( x + 2 ) 2 − 4 ( x + 2 ) + 4 ,原式 = ∫ e x d x − 4 ∫ e x x + 2 d x + 4 ∫ e x ( x + 2 ) 2 d x =\int\e^x\dx-4\int\dfrac{\e^x}{x+2}\dx+4\int\dfrac{\e^x}{(x+2)^2}\dx = ∫ e x d x − 4 ∫ x + 2 e x d x + 4 ∫ ( x + 2 ) 2 e x d x ,最后一项分部得 − 4 e x x + 2 + 4 ∫ e x x + 2 d x -\dfrac{4\e^x}{x+2}+4\int\dfrac{\e^x}{x+2}\dx − x + 2 4 e x + 4 ∫ x + 2 e x d x ,与中间项抵消:e x − 4 e x x + 2 = x − 2 x + 2 e x + C \e^x-\dfrac{4\e^x}{x+2}=\dfrac{x-2}{x+2}\e^x+C e x − x + 2 4 e x = x + 2 x − 2 e x + C 。
和例 2.26 第 (2) 小题同一个套路。
② (2) 对数当 u u u 。 ∫ ln x d 1 1 − x = ln x 1 − x − ∫ d x x ( 1 − x ) = ln x 1 − x − ln x + ln ∣ 1 − x ∣ + C = x ln x 1 − x + ln ∣ 1 − x ∣ + C \int\ln x\,\dd\dfrac1{1-x}=\dfrac{\ln x}{1-x}-\int\dfrac{\dx}{x(1-x)}=\dfrac{\ln x}{1-x}-\ln x+\ln|1-x|+C=\dfrac{x\ln x}{1-x}+\ln|1-x|+C ∫ ln x d 1 − x 1 = 1 − x ln x − ∫ x ( 1 − x ) d x = 1 − x ln x − ln x + ln ∣1 − x ∣ + C = 1 − x x ln x + ln ∣1 − x ∣ + C 。
1 ( 1 − x ) 2 \frac1{(1-x)^2} ( 1 − x ) 2 1 是 1 1 − x \frac1{1-x} 1 − x 1 的导数,所以把它放进 d v \dd v d v ;剩下的 1 x ( 1 − x ) \frac1{x(1-x)} x ( 1 − x ) 1 拆成 1 x + 1 1 − x \frac1x+\frac1{1-x} x 1 + 1 − x 1 两个对数。
③ (3) 先分部,再根式代换。 ∫ x d ( 2 1 + e x ) = 2 x 1 + e x − 2 ∫ 1 + e x d x \int x\,\dd\big(2\sqrt{1+\e^x}\big)=2x\sqrt{1+\e^x}-2\int\sqrt{1+\e^x}\dx ∫ x d ( 2 1 + e x ) = 2 x 1 + e x − 2 ∫ 1 + e x d x ;令 t = 1 + e x t=\sqrt{1+\e^x} t = 1 + e x ,∫ 1 + e x d x = ∫ 2 t 2 t 2 − 1 d t = 2 t + ln t − 1 t + 1 \int\sqrt{1+\e^x}\dx=\int\dfrac{2t^2}{t^2-1}\dt=2t+\ln\dfrac{t-1}{t+1} ∫ 1 + e x d x = ∫ t 2 − 1 2 t 2 d t = 2 t + ln t + 1 t − 1 。
e x 1 + e x \frac{\e^x}{\sqrt{1+\e^x}} 1 + e x e x 正好是 2 1 + e x 2\sqrt{1+\e^x} 2 1 + e x 的导数,先让 x x x 降次。
④ (4) 拆项后分部。 1 x 2 ( 1 + x 2 ) = 1 x 2 − 1 1 + x 2 \dfrac1{x^2(1+x^2)}=\dfrac1{x^2}-\dfrac1{1+x^2} x 2 ( 1 + x 2 ) 1 = x 2 1 − 1 + x 2 1 。∫ arctan x x 2 d x = − arctan x x + ∫ d x x ( 1 + x 2 ) = − arctan x x + ln ∣ x ∣ − 1 2 ln ( 1 + x 2 ) \int\dfrac{\arctan x}{x^2}\dx=-\dfrac{\arctan x}x+\int\dfrac{\dx}{x(1+x^2)}=-\dfrac{\arctan x}x+\ln|x|-\dfrac12\ln(1+x^2) ∫ x 2 arctan x d x = − x arctan x + ∫ x ( 1 + x 2 ) d x = − x arctan x + ln ∣ x ∣ − 2 1 ln ( 1 + x 2 ) ;∫ arctan x 1 + x 2 d x = 1 2 arctan 2 x \int\dfrac{\arctan x}{1+x^2}\dx=\dfrac12\arctan^2x ∫ 1 + x 2 arctan x d x = 2 1 arctan 2 x 。
第一项“幂 × 反三角”分部,第二项凑微分。
答案:(1) x − 2 x + 2 e x + C \frac{x-2}{x+2}\e^x+C x + 2 x − 2 e x + C ;(2) x ln x 1 − x + ln ∣ 1 − x ∣ + C \frac{x\ln x}{1-x}+\ln|1-x|+C 1 − x x l n x + ln ∣1 − x ∣ + C ;(3) 2 ( x − 2 ) 1 + e x − 2 ln 1 + e x − 1 1 + e x + 1 + C 2(x-2)\sqrt{1+\e^x}-2\ln\frac{\sqrt{1+\e^x}-1}{\sqrt{1+\e^x}+1}+C 2 ( x − 2 ) 1 + e x − 2 ln 1 + e x + 1 1 + e x − 1 + C ;(4) − arctan x x + ln ∣ x ∣ − 1 2 ln ( 1 + x 2 ) − 1 2 arctan 2 x + C -\frac{\arctan x}x+\ln|x|-\frac12\ln(1+x^2)-\frac12\arctan^2x+C − x a r c t a n x + ln ∣ x ∣ − 2 1 ln ( 1 + x 2 ) − 2 1 arctan 2 x + C
练习 5 李林 第五章 习题 (9) · p122
求
∫ x 2 ( x − 1 ) 100 d x \int\dfrac{x^2}{(x-1)^{100}}\dx ∫ ( x − 1 ) 100 x 2 d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 令 t = x − 1 t=x-1 t = x − 1 。 ∫ ( t + 1 ) 2 t 100 d t = ∫ ( t − 98 + 2 t − 99 + t − 100 ) d t \int\dfrac{(t+1)^2}{t^{100}}\dt=\int\big(t^{-98}+2t^{-99}+t^{-100}\big)\dt ∫ t 100 ( t + 1 ) 2 d t = ∫ ( t − 98 + 2 t − 99 + t − 100 ) d t 。
分母是一次式的高次幂,不必部分分式:换元后展开分子即可。
② 积分。 = − 1 97 t 97 − 1 49 t 98 − 1 99 t 99 + C =-\dfrac1{97t^{97}}-\dfrac1{49t^{98}}-\dfrac1{99t^{99}}+C = − 97 t 97 1 − 49 t 98 1 − 99 t 99 1 + C ,t = x − 1 t=x-1 t = x − 1 。
每项都是 t t t 的幂,用幂函数公式;第二项 2 ⋅ t − 98 − 98 2\cdot\frac{t^{-98}}{-98} 2 ⋅ − 98 t − 98 化简为 − 1 49 t 98 -\frac1{49t^{98}} − 49 t 98 1 。
答案:− 1 97 ( x − 1 ) 97 − 1 49 ( x − 1 ) 98 − 1 99 ( x − 1 ) 99 + C -\frac1{97(x-1)^{97}}-\frac1{49(x-1)^{98}}-\frac1{99(x-1)^{99}}+C − 97 ( x − 1 ) 97 1 − 49 ( x − 1 ) 98 1 − 99 ( x − 1 ) 99 1 + C
13.2 定积分与变限积分
练习 6 李林 第六章 习题 选择 (2)(3) · p162
(1)当
x → 0 x\to0 x → 0 时,
α ( x ) = ∫ 0 2 x sin t t d t \alpha(x)=\int_0^{2x}\dfrac{\sin t}t\dt α ( x ) = ∫ 0 2 x t sin t d t 与
β ( x ) = ∫ 0 sin x ( 1 + t ) 1 t d t \beta(x)=\int_0^{\sin x}(1+t)^{\frac1t}\dt β ( x ) = ∫ 0 s i n x ( 1 + t ) t 1 d t 是什么关系?(2)设
f ( x ) > 0 f(x)>0 f ( x ) > 0 ,
f ′ ( x ) < 0 f'(x)<0 f ′ ( x ) < 0 ,
f ′ ′ ( x ) > 0 f''(x)>0 f ′′ ( x ) > 0 (
a ≤ x ≤ b a\le x\le b a ≤ x ≤ b ),
S 1 = ∫ a b f d x S_1=\int_a^bf\dx S 1 = ∫ a b f d x ,
S 2 = f ( b ) ( b − a ) S_2=f(b)(b-a) S 2 = f ( b ) ( b − a ) ,
S 3 = 1 2 [ f ( a ) + f ( b ) ] ( b − a ) S_3=\frac12[f(a)+f(b)](b-a) S 3 = 2 1 [ f ( a ) + f ( b )] ( b − a ) ,比较大小。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 求等价。 α ∼ 2 x \alpha\sim2x α ∼ 2 x ,β ∼ e x \beta\sim\e x β ∼ e x ,α β → 2 e \dfrac\alpha\beta\to\dfrac2\e β α → e 2 ,同阶但不等价。
洛必达或阶的公式(5.4 节)。
② (2) 画图。 f f f 单调减、凹:S 2 S_2 S 2 是以最低点为高的矩形,在曲线下方;S 3 S_3 S 3 是梯形(弦在曲线上方)。所以 S 2 < S 1 < S 3 S_2<S_1<S_3 S 2 < S 1 < S 3 。
凹函数在弦下方(第 10 部分第 17 条)。
答案:(1) 同阶但不等价;(2) S 2 < S 1 < S 3 S_2<S_1<S_3 S 2 < S 1 < S 3
练习 7 李林 第六章 习题 解答 (1)(3) · p163
(1)设
f f f 连续,
∫ 0 x t f ( x − t ) d t = 1 − cos x \int_0^xtf(x-t)\dt=1-\cos x ∫ 0 x t f ( x − t ) d t = 1 − cos x ,求
∫ 0 π / 2 f ( x ) d x \int_0^{\pi/2}f(x)\dx ∫ 0 π /2 f ( x ) d x 。(2)设
f ( x ) = 1 1 + x 2 + x 3 ∫ 0 1 f ( x ) d x f(x)=\dfrac1{1+x^2}+x^3\int_0^1f(x)\dx f ( x ) = 1 + x 2 1 + x 3 ∫ 0 1 f ( x ) d x ,求
f ( x ) f(x) f ( x ) 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 换元去掉 x x x 。 u = x − t u=x-t u = x − t :∫ 0 x ( x − u ) f ( u ) d u = x ∫ 0 x f − ∫ 0 x u f = 1 − cos x \int_0^x(x-u)f(u)\du=x\int_0^xf-\int_0^xuf=1-\cos x ∫ 0 x ( x − u ) f ( u ) d u = x ∫ 0 x f − ∫ 0 x u f = 1 − cos x 。
被积函数含 x x x ,换元后提出去(5.2 节)。
② (1) 求导。 两边求导:∫ 0 x f ( u ) d u = sin x \int_0^xf(u)\du=\sin x ∫ 0 x f ( u ) d u = sin x ,所以 ∫ 0 π / 2 f = sin π 2 = 1 \int_0^{\pi/2}f=\sin\frac\pi2=1 ∫ 0 π /2 f = sin 2 π = 1 。
x f ( x ) x f(x) x f ( x ) 的两项抵消,只剩 ∫ 0 x f \int_0^xf ∫ 0 x f 。
③ (2) 设常数。 A = ∫ 0 1 f A=\int_0^1f A = ∫ 0 1 f ,两边在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 积分:A = π 4 + A 4 A=\dfrac\pi4+\dfrac A4 A = 4 π + 4 A ,A = π 3 A=\dfrac\pi3 A = 3 π ,f ( x ) = 1 1 + x 2 + π 3 x 3 f(x)=\dfrac1{1+x^2}+\dfrac\pi3x^3 f ( x ) = 1 + x 2 1 + 3 π x 3 。
和例 4.22 同一个方法。
答案:(1) 1;(2) f ( x ) = 1 1 + x 2 + π 3 x 3 f(x)=\frac1{1+x^2}+\frac\pi3x^3 f ( x ) = 1 + x 2 1 + 3 π x 3
练习 8 李林 第六章 习题 解答 (4)(Ⅲ)(Ⅴ)(Ⅵ) · p163
计算:(1)
∫ 0 1 x ( 2 − x 2 ) 1 − x 2 d x \int_0^1\dfrac x{(2-x^2)\sqrt{1-x^2}}\dx ∫ 0 1 ( 2 − x 2 ) 1 − x 2 x d x ;(2)
∫ 0 π / 4 x 1 + cos 2 x d x \int_0^{\pi/4}\dfrac x{1+\cos2x}\dx ∫ 0 π /4 1 + cos 2 x x d x ;(3)
∫ 1 / 2 2 ( 1 + x − 1 x ) e x + 1 x d x \int_{1/2}^2\Big(1+x-\dfrac1x\Big)\e^{x+\frac1x}\dx ∫ 1/2 2 ( 1 + x − x 1 ) e x + x 1 d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 令 u = 1 − x 2 u=\sqrt{1-x^2} u = 1 − x 2 。 x d x = − u d u x\dx=-u\du x d x = − u d u ,2 − x 2 = 1 + u 2 2-x^2=1+u^2 2 − x 2 = 1 + u 2 :原式 = ∫ 0 1 d u 1 + u 2 = π 4 =\int_0^1\dfrac{\du}{1+u^2}=\dfrac\pi4 = ∫ 0 1 1 + u 2 d u = 4 π 。
分子有 x x x ,正好配 d ( 1 − x 2 ) \dd(1-x^2) d ( 1 − x 2 ) 。
② (2) 倍角后分部。 1 + cos 2 x = 2 cos 2 x 1+\cos2x=2\cos^2x 1 + cos 2 x = 2 cos 2 x ,原式 = 1 2 ∫ 0 π / 4 x d tan x = 1 2 [ x tan x ] 0 π / 4 − 1 2 ∫ 0 π / 4 tan x d x = π 8 − 1 4 ln 2 =\dfrac12\int_0^{\pi/4}x\,\dd\tan x=\dfrac12\Big[x\tan x\Big]_0^{\pi/4}-\dfrac12\int_0^{\pi/4}\tan x\dx=\dfrac\pi8-\dfrac14\ln2 = 2 1 ∫ 0 π /4 x d tan x = 2 1 [ x tan x ] 0 π /4 − 2 1 ∫ 0 π /4 tan x d x = 8 π − 4 1 ln 2 。
tan x = sin x cos x \tan x=\frac{\sin x}{\cos x} tan x = c o s x s i n x ,分子是分母导数的相反数,原函数 − ln cos x -\ln\cos x − ln cos x ;代入 cos π 4 = 2 2 \cos\frac\pi4=\frac{\sqrt2}2 cos 4 π = 2 2 得 1 2 ln 2 \frac12\ln2 2 1 ln 2 。
③ (3) 分部消项。 ( 1 − 1 x 2 ) e x + 1 x d x = d e x + 1 x \Big(1-\dfrac1{x^2}\Big)\e^{x+\frac1x}\dx=\dd\e^{x+\frac1x} ( 1 − x 2 1 ) e x + x 1 d x = d e x + x 1 ,所以 ∫ x ( 1 − 1 x 2 ) e x + 1 x d x = x e x + 1 x − ∫ e x + 1 x d x \int x\Big(1-\dfrac1{x^2}\Big)\e^{x+\frac1x}\dx=x\e^{x+\frac1x}-\int\e^{x+\frac1x}\dx ∫ x ( 1 − x 2 1 ) e x + x 1 d x = x e x + x 1 − ∫ e x + x 1 d x ,与另一项抵消:原式 = [ x e x + 1 x ] 1 / 2 2 = 3 2 e 5 2 =\Big[x\e^{x+\frac1x}\Big]_{1/2}^2=\dfrac32\e^{\frac52} = [ x e x + x 1 ] 1/2 2 = 2 3 e 2 5 。
把被积函数拆成两项:e x + 1 x \e^{x+\frac1x} e x + x 1 和 x ( 1 − 1 x 2 ) e x + 1 x x\big(1-\frac1{x^2}\big)\e^{x+\frac1x} x ( 1 − x 2 1 ) e x + x 1 。后一项里 ( 1 − 1 x 2 ) d x \big(1-\frac1{x^2}\big)\dx ( 1 − x 2 1 ) d x 正好是 d ( x + 1 x ) \dd\big(x+\frac1x\big) d ( x + x 1 ) ,对它分部,积出来的 − ∫ e x + 1 x d x -\int\e^{x+\frac1x}\dx − ∫ e x + x 1 d x 和前一项抵消。
答案:(1) π 4 \frac\pi4 4 π ;(2) π 8 − 1 4 ln 2 \frac\pi8-\frac14\ln2 8 π − 4 1 ln 2 ;(3) 3 2 e 5 / 2 \frac32\e^{5/2} 2 3 e 5/2
练习 9 李林 第六章 §3 例 12 · p150,习题 解答 (7) · p163
(1)证明
∫ 0 n π x ∣ sin x ∣ d x = n 2 π \int_0^{n\pi}x|\sin x|\dx=n^2\pi ∫ 0 nπ x ∣ sin x ∣ d x = n 2 π (
n n n 为正整数);(2)计算
∫ 0 π x sin 4 x d x \int_0^\pi x\sin^4x\dx ∫ 0 π x sin 4 x d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 区间再现。 令 x = n π − t x=n\pi-t x = nπ − t :I = ∫ 0 n π ( n π − t ) ∣ sin t ∣ d t = n π ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t − I I=\int_0^{n\pi}(n\pi-t)|\sin t|\dt=n\pi\int_0^{n\pi}|\sin t|\dt-I I = ∫ 0 nπ ( nπ − t ) ∣ sin t ∣ d t = nπ ∫ 0 nπ ∣ sin t ∣ d t − I 。
sin ( n π − t ) = ± sin t \sin(n\pi-t)=\pm\sin t sin ( nπ − t ) = ± sin t ,取绝对值后相同,所以换元后被积函数里只有 x x x 变成了 n π − t n\pi-t nπ − t 。
② (1) 周期。 ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t = 2 n \int_0^{n\pi}|\sin t|\dt=2n ∫ 0 nπ ∣ sin t ∣ d t = 2 n ,所以 2 I = 2 n 2 π 2I=2n^2\pi 2 I = 2 n 2 π ,I = n 2 π I=n^2\pi I = n 2 π 。
∣ sin t ∣ |\sin t| ∣ sin t ∣ 以 π \pi π 为周期,每个周期积分 2。
③ (2) 用 ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = π 2 ∫ 0 π f ( sin x ) d x \int_0^\pi xf(\sin x)\dx=\frac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)\dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = 2 π ∫ 0 π f ( sin x ) d x 。 = π 2 ∫ 0 π sin 4 x d x = π 2 ⋅ 2 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 3 π 2 16 =\dfrac\pi2\int_0^\pi\sin^4x\dx=\dfrac\pi2\cdot2\cdot\dfrac34\cdot\dfrac12\cdot\dfrac\pi2=\dfrac{3\pi^2}{16} = 2 π ∫ 0 π sin 4 x d x = 2 π ⋅ 2 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 16 3 π 2 。
这就是第 10 部分第 13 条(x f ( sin x ) xf(\sin x) x f ( sin x ) 的公式)和第 14 条(华里士,∫ 0 π = 2 ∫ 0 π / 2 \int_0^\pi=2\int_0^{\pi/2} ∫ 0 π = 2 ∫ 0 π /2 )。
答案:(1) 证明题。思路:令 x = n π − t x=n\pi-t x = nπ − t (区间再现)得 I = n π ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t − I I=n\pi\int_0^{n\pi}|\sin t|\dt-I I = nπ ∫ 0 nπ ∣ sin t ∣ d t − I ,而 ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t = 2 n \int_0^{n\pi}|\sin t|\dt=2n ∫ 0 nπ ∣ sin t ∣ d t = 2 n ;(2) 3 π 2 16 \frac{3\pi^2}{16} 16 3 π 2
13.3 反常积分、应用与证明
练习 10 基础
(1)计算
∫ 1 + ∞ d x x ( 1 + x 2 ) \int_1^{+\infty}\dfrac{\dx}{x(1+x^2)} ∫ 1 + ∞ x ( 1 + x 2 ) d x 。(2)求曲线
y = e x y=\e^x y = e x 、
y = e − x y=\e^{-x} y = e − x 与直线
x = 1 x=1 x = 1 围成的面积。(3)求
y = x 2 y=x^2 y = x 2 与
y = 2 x y=2x y = 2 x 所围区域绕
y y y 轴旋转所得的体积。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 拆项。 1 x ( 1 + x 2 ) = 1 x − x 1 + x 2 \dfrac1{x(1+x^2)}=\dfrac1x-\dfrac x{1+x^2} x ( 1 + x 2 ) 1 = x 1 − 1 + x 2 x ,原函数 ln x 1 + x 2 \ln\dfrac x{\sqrt{1+x^2}} ln 1 + x 2 x ,x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 时趋于 0,所以积分 = 0 − ln 1 2 = 1 2 ln 2 =0-\ln\dfrac1{\sqrt2}=\dfrac12\ln2 = 0 − ln 2 1 = 2 1 ln 2 。
两个对数先合并再取极限(6.4 节)。
② (2) 上减下。 x ∈ [ 0 , 1 ] x\in[0,1] x ∈ [ 0 , 1 ] 上 e x ≥ e − x \e^x\ge\e^{-x} e x ≥ e − x :A = ∫ 0 1 ( e x − e − x ) d x = e + e − 1 − 2 A=\int_0^1(\e^x-\e^{-x})\dx=\e+\e^{-1}-2 A = ∫ 0 1 ( e x − e − x ) d x = e + e − 1 − 2 。
e x = e − x \e^x=\e^{-x} e x = e − x 只在 x = 0 x=0 x = 0 处成立,所以两曲线在 x = 0 x=0 x = 0 相交;x > 0 x>0 x > 0 时 e x > 1 > e − x \e^x>1>\e^{-x} e x > 1 > e − x 。
③ (3) 柱壳。 交点 x = 0 , 2 x=0,2 x = 0 , 2 ,2 x ≥ x 2 2x\ge x^2 2 x ≥ x 2 :V = 2 π ∫ 0 2 x ( 2 x − x 2 ) d x = 2 π ( 16 3 − 4 ) = 8 π 3 V=2\pi\int_0^2x(2x-x^2)\dx=2\pi\Big(\dfrac{16}3-4\Big)=\dfrac{8\pi}3 V = 2 π ∫ 0 2 x ( 2 x − x 2 ) d x = 2 π ( 3 16 − 4 ) = 3 8 π 。
绕 y y y 轴用柱壳,高 = 上减下。
答案:(1) 1 2 ln 2 \frac12\ln2 2 1 ln 2 ;(2) e + e − 1 − 2 \e+\e^{-1}-2 e + e − 1 − 2 ;(3) 8 π 3 \frac{8\pi}3 3 8 π
练习 11 基础
证明:(1)
∫ 0 1 e x 2 d x ≥ 4 3 \int_0^1\e^{x^2}\dx\ge\dfrac43 ∫ 0 1 e x 2 d x ≥ 3 4 ;(2)
1 2 ≤ ∫ 0 1 / 2 d x 1 − x n ≤ π 6 \dfrac12\le\int_0^{1/2}\dfrac{\dx}{\sqrt{1-x^n}}\le\dfrac\pi6 2 1 ≤ ∫ 0 1/2 1 − x n d x ≤ 6 π (
n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 )。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① (1) 放缩被积函数。 e u ≥ 1 + u \e^u\ge1+u e u ≥ 1 + u ,所以 e x 2 ≥ 1 + x 2 \e^{x^2}\ge1+x^2 e x 2 ≥ 1 + x 2 ,∫ 0 1 e x 2 d x ≥ ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) d x = 4 3 \int_0^1\e^{x^2}\dx\ge\int_0^1(1+x^2)\dx=\dfrac43 ∫ 0 1 e x 2 d x ≥ ∫ 0 1 ( 1 + x 2 ) d x = 3 4 。
积分算不出来,用常用不等式放缩再积分。
② (2) 两边夹。 x ∈ [ 0 , 1 2 ] x\in[0,\frac12] x ∈ [ 0 , 2 1 ] 时 0 ≤ x n ≤ x 2 0\le x^n\le x^2 0 ≤ x n ≤ x 2 ,所以 1 ≤ 1 1 − x n ≤ 1 1 − x 2 1\le\dfrac1{\sqrt{1-x^n}}\le\dfrac1{\sqrt{1-x^2}} 1 ≤ 1 − x n 1 ≤ 1 − x 2 1 ,积分得 1 2 ≤ ∫ ≤ arcsin 1 2 = π 6 \dfrac12\le\int\le\arcsin\dfrac12=\dfrac\pi6 2 1 ≤ ∫ ≤ arcsin 2 1 = 6 π 。
x < 1 x<1 x < 1 时次数越高越小;右边是 arcsin 型。
答案:证明题。思路:(1)用 e u ≥ 1 + u \e^u\ge1+u e u ≥ 1 + u 放缩后积分;(2)在 [ 0 , 1 2 ] [0,\frac12] [ 0 , 2 1 ] 上 0 ≤ x n ≤ x 2 0\le x^n\le x^2 0 ≤ x n ≤ x 2 ,被积函数夹在 1 和 1 1 − x 2 \frac1{\sqrt{1-x^2}} 1 − x 2 1 之间,积分得 1 2 \frac12 2 1 和 arcsin 1 2 = π 6 \arcsin\frac12=\frac\pi6 arcsin 2 1 = 6 π 。
13.4 李林第五、六章补充例题
这一节收了什么 李林讲义第五、六章里,正文没有讲到的例题和习题放在这里做练习。有三道没有收:第六章 §2 例 8 是交换积分次序,属于二重积分;§5 例 9 是闸门压力,做法和 例 7.30 完全一样;章末选择题 (1) 用程序算出的数值和讲义给的结论对不上,暂不收录,免得误导。
练习 12 李林 第六章 §2 例 6 · p143
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 可导,
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,
g ( x ) g(x) g ( x ) 是
f ( x ) f(x) f ( x ) 的反函数,且
∫ 0 f ( x ) g ( t ) d t = ∫ 0 x t t + a 2 − t 2 d t \int_0^{f(x)}g(t)\dt=\int_0^x\dfrac t{t+\sqrt{a^2-t^2}}\dt ∫ 0 f ( x ) g ( t ) d t = ∫ 0 x t + a 2 − t 2 t d t (
a > 0 a>0 a > 0 ),求
f ( a ) f(a) f ( a ) 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 两边求导。 左边 g ( f ( x ) ) f ′ ( x ) = x f ′ ( x ) g\big(f(x)\big)f'(x)=xf'(x) g ( f ( x ) ) f ′ ( x ) = x f ′ ( x ) ,右边 x x + a 2 − x 2 \dfrac x{x+\sqrt{a^2-x^2}} x + a 2 − x 2 x ,所以 f ′ ( x ) = 1 x + a 2 − x 2 f'(x)=\dfrac1{x+\sqrt{a^2-x^2}} f ′ ( x ) = x + a 2 − x 2 1 。
g g g 是 f f f 的反函数,g ( f ( x ) ) = x g(f(x))=x g ( f ( x )) = x ;两边约去 x x x (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 )。
② 积分求 f ( a ) f(a) f ( a ) 。 f ( a ) = f ( 0 ) + ∫ 0 a d x x + a 2 − x 2 f(a)=f(0)+\int_0^a\dfrac{\dx}{x+\sqrt{a^2-x^2}} f ( a ) = f ( 0 ) + ∫ 0 a x + a 2 − x 2 d x ,令 x = a sin t x=a\sin t x = a sin t := ∫ 0 π / 2 cos t sin t + cos t d t =\int_0^{\pi/2}\dfrac{\cos t}{\sin t+\cos t}\dt = ∫ 0 π /2 sin t + cos t cos t d t 。
根号 a 2 − x 2 \sqrt{a^2-x^2} a 2 − x 2 用三角代换,a a a 约掉。
③ 区间再现。 ∫ 0 π / 2 cos t sin t + cos t d t = ∫ 0 π / 2 sin t sin t + cos t d t \int_0^{\pi/2}\dfrac{\cos t}{\sin t+\cos t}\dt=\int_0^{\pi/2}\dfrac{\sin t}{\sin t+\cos t}\dt ∫ 0 π /2 sin t + cos t cos t d t = ∫ 0 π /2 sin t + cos t sin t d t ,两者之和为 π 2 \dfrac\pi2 2 π ,所以 f ( a ) = π 4 f(a)=\dfrac\pi4 f ( a ) = 4 π 。
这就是第 10 部分第 12 条(α = 1 \alpha=1 α = 1 ):两个积分相等、相加为 π 2 \frac\pi2 2 π ,所以各是 π 4 \frac\pi4 4 π 。
答案:f ( a ) = π 4 f(a)=\frac\pi4 f ( a ) = 4 π
练习 13 李林 第六章 §3 例 2 · p145
设
f , g f,g f , g 在
[ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上有连续导数,
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 ,
f ′ ( x ) ≥ 0 f'(x)\ge0 f ′ ( x ) ≥ 0 ,
g ′ ( x ) ≥ 0 g'(x)\ge0 g ′ ( x ) ≥ 0 。证明:对任意
a ∈ [ 0 , 1 ] a\in[0,1] a ∈ [ 0 , 1 ] ,
∫ 0 a g ( x ) f ′ ( x ) d x + ∫ 0 1 f ( x ) g ′ ( x ) d x ≥ f ( a ) g ( 1 ) \int_0^ag(x)f'(x)\dx+\int_0^1f(x)g'(x)\dx\ge f(a)g(1) ∫ 0 a g ( x ) f ′ ( x ) d x + ∫ 0 1 f ( x ) g ′ ( x ) d x ≥ f ( a ) g ( 1 ) 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 把 a a a 换成变量。 F ( a ) = ∫ 0 a g f ′ d x + ∫ 0 1 f g ′ d x − f ( a ) g ( 1 ) F(a)=\int_0^agf'\dx+\int_0^1fg'\dx-f(a)g(1) F ( a ) = ∫ 0 a g f ′ d x + ∫ 0 1 f g ′ d x − f ( a ) g ( 1 ) ,F ′ ( a ) = g ( a ) f ′ ( a ) − f ′ ( a ) g ( 1 ) = f ′ ( a ) [ g ( a ) − g ( 1 ) ] ≤ 0 F'(a)=g(a)f'(a)-f'(a)g(1)=f'(a)\big[g(a)-g(1)\big]\le0 F ′ ( a ) = g ( a ) f ′ ( a ) − f ′ ( a ) g ( 1 ) = f ′ ( a ) [ g ( a ) − g ( 1 ) ] ≤ 0 。
单调性法(8.2 节);g g g 递增,g ( a ) ≤ g ( 1 ) g(a)\le g(1) g ( a ) ≤ g ( 1 ) 。
② 看右端点的值。 F ( 1 ) = ∫ 0 1 ( g f ′ + f g ′ ) d x − f ( 1 ) g ( 1 ) = [ f g ] 0 1 − f ( 1 ) g ( 1 ) = − f ( 0 ) g ( 0 ) = 0 F(1)=\int_0^1(gf'+fg')\dx-f(1)g(1)=\big[fg\big]_0^1-f(1)g(1)=-f(0)g(0)=0 F ( 1 ) = ∫ 0 1 ( g f ′ + f g ′ ) d x − f ( 1 ) g ( 1 ) = [ f g ] 0 1 − f ( 1 ) g ( 1 ) = − f ( 0 ) g ( 0 ) = 0 。
乘积求导法则倒过来:( f g ) ′ = f ′ g + f g ′ (fg)'=f'g+fg' ( f g ) ′ = f ′ g + f g ′ ,所以两项之和的积分就是 f g fg f g 在两端的差。
③ 结论。 F F F 在 [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] 上单调减少,F ( a ) ≥ F ( 1 ) = 0 F(a)\ge F(1)=0 F ( a ) ≥ F ( 1 ) = 0 。
这里终点处等于 0,所以用“递减函数在左边更大”。
答案:证明题。思路:把 a a a 当变量作差得 F ( a ) F(a) F ( a ) ,求导得 F ′ = f ′ ( a ) [ g ( a ) − g ( 1 ) ] ≤ 0 F'=f'(a)[g(a)-g(1)]\le0 F ′ = f ′ ( a ) [ g ( a ) − g ( 1 )] ≤ 0 ;F ( 1 ) = [ f g ] 0 1 − f ( 1 ) g ( 1 ) = 0 F(1)=[fg]_0^1-f(1)g(1)=0 F ( 1 ) = [ f g ] 0 1 − f ( 1 ) g ( 1 ) = 0 ,所以 F ( a ) ≥ F ( 1 ) = 0 F(a)\ge F(1)=0 F ( a ) ≥ F ( 1 ) = 0 。
练习 14 李林 第六章 §3 例 10 · p149—150
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 在
[ − a , a ] [-a,a] [ − a , a ] (
a > 0 a>0 a > 0 )上有连续的二阶导数,
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 。证明:存在
η ∈ [ − a , a ] \eta\in[-a,a] η ∈ [ − a , a ] ,使
a 3 f ′ ′ ( η ) = 3 ∫ − a a f ( x ) d x a^3f''(\eta)=3\int_{-a}^af(x)\dx a 3 f ′′ ( η ) = 3 ∫ − a a f ( x ) d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 在 0 处泰勒展开。 f ( x ) = f ′ ( 0 ) x + f ′ ′ ( ξ ) 2 x 2 f(x)=f'(0)x+\dfrac{f''(\xi)}2x^2 f ( x ) = f ′ ( 0 ) x + 2 f ′′ ( ξ ) x 2 ,积分:∫ − a a f = 0 + 1 2 ∫ − a a f ′ ′ ( ξ ) x 2 d x \int_{-a}^af=0+\dfrac12\int_{-a}^af''(\xi)x^2\dx ∫ − a a f = 0 + 2 1 ∫ − a a f ′′ ( ξ ) x 2 d x 。
一次项是奇函数,对称区间上积分为 0。
② 用最值夹住。 m ≤ f ′ ′ ≤ M m\le f''\le M m ≤ f ′′ ≤ M (f ′ ′ f'' f ′′ 在 [ − a , a ] [-a,a] [ − a , a ] 上的最小、最大值),所以 m a 3 3 ≤ ∫ − a a f ≤ M a 3 3 \dfrac{ma^3}3\le\int_{-a}^af\le\dfrac{Ma^3}3 3 m a 3 ≤ ∫ − a a f ≤ 3 M a 3 。
余项里的 f ′ ′ ( ξ ) f''(\xi) f ′′ ( ξ ) 被 m m m 、M M M 夹住,再乘非负的 x 2 2 \frac{x^2}2 2 x 2 积分:1 2 ∫ − a a x 2 d x = a 3 3 \frac12\int_{-a}^ax^2\dx=\frac{a^3}3 2 1 ∫ − a a x 2 d x = 3 a 3 。
③ 介值定理。 3 a 3 ∫ − a a f \dfrac3{a^3}\int_{-a}^af a 3 3 ∫ − a a f 介于 m m m 与 M M M 之间,f ′ ′ f'' f ′′ 连续,存在 η \eta η 使 f ′ ′ ( η ) = 3 a 3 ∫ − a a f f''(\eta)=\dfrac3{a^3}\int_{-a}^af f ′′ ( η ) = a 3 3 ∫ − a a f 。
余项里的 ξ \xi ξ 随 x x x 变,不能直接提出来,只能用最值夹。
答案:证明题。思路:在 0 处泰勒展开到二阶,对称区间上一次项积分为 0;余项用 f ′ ′ f'' f ′′ 的最小值 m m m 、最大值 M M M 夹住,得 m ≤ 3 a 3 ∫ − a a f ≤ M m\le\frac3{a^3}\int_{-a}^af\le M m ≤ a 3 3 ∫ − a a f ≤ M ,再用介值定理。
练习 15 李林 第五章 §1 例 2
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 是奇函数,除
x = 0 x=0 x = 0 外处处连续,
x = 0 x=0 x = 0 是它的第一类间断点,则
∫ 0 x f ( t ) d t \int_0^xf(t)\dt ∫ 0 x f ( t ) d t 是( )
(A)连续的奇函数 (B)连续的偶函数
(C)在
x = 0 x=0 x = 0 间断的奇函数 (D)在
x = 0 x=0 x = 0 间断的偶函数
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 连续性。 f f f 只有一个第一类(跳跃)间断点,在任何有限区间上有界、可积,所以 F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t F(x)=\int_0^xf(t)\dt F ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t 处处连续。排除(C)(D)。
5.3 节:被积函数可积(哪怕有跳跃),变限积分就连续;被积函数有跳跃,只会让 F F F 在那一点不可导。
② 奇偶性。 F ( − x ) = ∫ 0 − x f ( t ) d t F(-x)=\int_0^{-x}f(t)\dt F ( − x ) = ∫ 0 − x f ( t ) d t ,令 t = − u t=-u t = − u := ∫ 0 x f ( − u ) ( − d u ) = ∫ 0 x f ( u ) d u = F ( x ) =\int_0^xf(-u)(-\du)=\int_0^xf(u)\du=F(x) = ∫ 0 x f ( − u ) ( − d u ) = ∫ 0 x f ( u ) d u = F ( x ) ,F F F 是偶函数。选(B)。
换元 t = − u t=-u t = − u 带来一个负号,f f f 是奇函数 f ( − u ) = − f ( u ) f(-u)=-f(u) f ( − u ) = − f ( u ) 又带来一个负号,两个负号抵消。这就是“奇积成偶”。
③ 用具体例子检验。 取 f ( x ) = sgn x f(x)=\operatorname{sgn}x f ( x ) = sgn x (奇函数,0 处跳跃),∫ 0 x sgn t d t = ∣ x ∣ \int_0^x\operatorname{sgn}t\dt=|x| ∫ 0 x sgn t d t = ∣ x ∣ :连续、偶函数、在 0 处不可导。所以选(B)。
选择题最快的检验是代一个满足条件的具体函数,四个选项立刻分清。
答案:B
练习 16 李林 第五章 习题 2(Ⅰ)
求
∫ arctan x ( 1 + x ) x d x \int\dfrac{\arctan\sqrt x}{(1+x)\sqrt x}\dx ∫ ( 1 + x ) x arctan x d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 找“里层的导数”。 ( arctan x ) ′ = 1 1 + ( x ) 2 ⋅ 1 2 x = 1 2 ( 1 + x ) x \big(\arctan\sqrt x\big)'=\dfrac1{1+(\sqrt x)^2}\cdot\dfrac1{2\sqrt x}=\dfrac1{2(1+x)\sqrt x} ( arctan x ) ′ = 1 + ( x ) 2 1 ⋅ 2 x 1 = 2 ( 1 + x ) x 1 ,所以 d x ( 1 + x ) x = 2 d ( arctan x ) \dfrac{\dx}{(1+x)\sqrt x}=2\,\dd\big(\arctan\sqrt x\big) ( 1 + x ) x d x = 2 d ( arctan x ) 。
被积函数里除了 arctan x \arctan\sqrt x arctan x ,剩下的 1 ( 1 + x ) x \frac1{(1+x)\sqrt x} ( 1 + x ) x 1 正好是它的导数的 2 倍,这是凑微分的信号(2.1 节)。
② 凑微分。 原式 = 2 ∫ arctan x d ( arctan x ) = ( arctan x ) 2 + C =2\int\arctan\sqrt x\,\dd\big(\arctan\sqrt x\big)=\big(\arctan\sqrt x\big)^2+C = 2 ∫ arctan x d ( arctan x ) = ( arctan x ) 2 + C 。
把 arctan x \arctan\sqrt x arctan x 看成一个字母 u u u ,就是 2 ∫ u d u = u 2 2\int u\du=u^2 2 ∫ u d u = u 2 。
答案:( arctan x ) 2 + C \big(\arctan\sqrt x\big)^2+C ( arctan x ) 2 + C
练习 17 李林 第六章 §1 例 9
已知
∫ 0 π cos x ( x + 2 ) 2 d x = A \int_0^\pi\dfrac{\cos x}{(x+2)^2}\dx=A ∫ 0 π ( x + 2 ) 2 cos x d x = A ,求
∫ 0 π / 2 sin x cos x x + 1 d x \int_0^{\pi/2}\dfrac{\sin x\cos x}{x+1}\dx ∫ 0 π /2 x + 1 sin x cos x d x 。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 倍角 + 换元,把区间变成 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 。 sin x cos x = 1 2 sin 2 x \sin x\cos x=\frac12\sin2x sin x cos x = 2 1 sin 2 x ;令 u = 2 x u=2x u = 2 x ,x : 0 → π 2 x:0\to\frac\pi2 x : 0 → 2 π 对应 u : 0 → π u:0\to\pi u : 0 → π ,d x = 1 2 d u \dd x=\frac12\du d x = 2 1 d u ,x + 1 = u + 2 2 x+1=\frac{u+2}2 x + 1 = 2 u + 2 。原式 = ∫ 0 π 1 2 sin u u + 2 2 ⋅ d u 2 = 1 2 ∫ 0 π sin u u + 2 d u =\int_0^\pi\dfrac{\frac12\sin u}{\frac{u+2}2}\cdot\dfrac{\du}2=\dfrac12\int_0^\pi\dfrac{\sin u}{u+2}\du = ∫ 0 π 2 u + 2 2 1 sin u ⋅ 2 d u = 2 1 ∫ 0 π u + 2 sin u d u 。
已知的积分在 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上、分母是 u + 2 u+2 u + 2 ,所以先想办法把要求的积分也变成这个样子。
② 分部积分,让已知积分出现。 ∫ 0 π sin u u + 2 d u = [ − cos u u + 2 ] 0 π − ∫ 0 π cos u ( u + 2 ) 2 d u = 1 π + 2 + 1 2 − A \int_0^\pi\dfrac{\sin u}{u+2}\du=\Big[-\dfrac{\cos u}{u+2}\Big]_0^\pi-\int_0^\pi\dfrac{\cos u}{(u+2)^2}\du=\dfrac1{\pi+2}+\dfrac12-A ∫ 0 π u + 2 sin u d u = [ − u + 2 cos u ] 0 π − ∫ 0 π ( u + 2 ) 2 cos u d u = π + 2 1 + 2 1 − A 。
sin u d u = d ( − cos u ) \sin u\du=\dd(-\cos u) sin u d u = d ( − cos u ) ,对 1 u + 2 \frac1{u+2} u + 2 1 求导得 − 1 ( u + 2 ) 2 -\frac1{(u+2)^2} − ( u + 2 ) 2 1 ,正好出现已知的 A A A 。边界项:u = π u=\pi u = π 处 − − 1 π + 2 -\frac{-1}{\pi+2} − π + 2 − 1 ,u = 0 u=0 u = 0 处 − 1 2 -\frac12 − 2 1 ,相减得 1 π + 2 + 1 2 \frac1{\pi+2}+\frac12 π + 2 1 + 2 1 。
③ 结果。 原式 = 1 2 ( 1 π + 2 + 1 2 − A ) =\dfrac12\Big(\dfrac1{\pi+2}+\dfrac12-A\Big) = 2 1 ( π + 2 1 + 2 1 − A ) 。
别忘了第一步留下的系数 1 2 \frac12 2 1 。
答案:1 2 ( 1 π + 2 + 1 2 − A ) \frac12\big(\frac1{\pi+2}+\frac12-A\big) 2 1 ( π + 2 1 + 2 1 − A )
练习 18 李林 第六章 习题 填空 (4)
设
f ( x ) f(x) f ( x ) 连续,
s > 0 s>0 s > 0 ,
t > 0 t>0 t > 0 ,
I = t ∫ 0 s / t f ( t x ) d x I=t\int_0^{s/t}f(tx)\dx I = t ∫ 0 s / t f ( t x ) d x ,则
I I I 对
s s s 的导数
= = = ______;
I I I 与
t t t 有没有关系?
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟
① 换元,把 t t t 从被积函数里挪走。 令 u = t x u=tx u = t x (t t t 当常数),d x = d u t \dd x=\frac{\du}t d x = t d u ;x = s t x=\frac st x = t s 时 u = s u=s u = s 。I = t ∫ 0 s f ( u ) d u t = ∫ 0 s f ( u ) d u I=t\int_0^s f(u)\dfrac{\du}t=\int_0^sf(u)\du I = t ∫ 0 s f ( u ) t d u = ∫ 0 s f ( u ) d u 。
被积函数里的 t x tx t x 把参数和积分变量搅在一起,整块设成 u u u (5.2 节的办法);前面的 t t t 和 1 t \frac1t t 1 约掉。
② 求导。 I = ∫ 0 s f ( u ) d u I=\int_0^sf(u)\du I = ∫ 0 s f ( u ) d u 只依赖 s s s ,与 t t t 无关;对 s s s 求导得 f ( s ) f(s) f ( s ) 。
变限积分求导公式:上限是 s s s ,导数就是把 s s s 代进被积函数。
答案:f ( s ) f(s) f ( s ) ;I I I 与 t t t 无关
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