一元函数积分学
考点定位
大纲位置 :高等数学第三章,计算量最大的章节,是后面多元积分与微分方程综合题的工具库
常见题型 :不定积分换元/分部选型、定积分的对称性与区间再现技巧、变限积分求导与极限、反常积分敛散判别、几何应用(面积/旋转体体积/弧长/旋转曲面)
考查频率 :高 。积分计算几乎渗透每张卷的每个大题;变限积分求导是高频选择/填空陷阱
定位 :积分是"模式识别 + 计算准确率"的功夫——选型对了就成功一半,本章把选型决策做成一棵树和三张表,反复对照演练
核心讲解
先立地基:原函数、不定积分与定积分的定义
原函数 :若在区间 I I I 上 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x) = f(x) F ′ ( x ) = f ( x ) 成立,则称 F F F 是 f f f 在 I I I 上的一个原函数 。存在性:区间上连续 的函数必有原函数(变限积分 ∫ a x f ( t ) d t \int_a^x f(t)\,dt ∫ a x f ( t ) d t 就是其中之一,这也是"连续函数必有原函数"的构造性证明)。唯一性:同一函数的任意两个原函数只差一个常数——因 [ F 1 − F 2 ] ′ = 0 [F_1-F_2]' = 0 [ F 1 − F 2 ] ′ = 0 在区间上推出 F 1 − F 2 ≡ C F_1-F_2\equiv C F 1 − F 2 ≡ C 。
不定积分 :f f f 在区间 I I I 上全体原函数 的集合,记
∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C \int f(x)\,dx = F(x) + C ∫ f ( x ) d x = F ( x ) + C
"不定"就体现在任意常数 C C C ——不定积分是函数族 ,不是单个函数。这就是为什么每道不定积分题最后必补 + C +C + C 。
定积分的定义(分割—取点—求和—取极限) :设 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上有界:
分割 :插入分点 a = x 0 < x 1 < ⋯ < x n = b a=x_0<x_1<\cdots<x_n=b a = x 0 < x 1 < ⋯ < x n = b ,记 Δ x i = x i − x i − 1 \Delta x_i = x_i-x_{i-1} Δ x i = x i − x i − 1 ,λ = max { Δ x i } \lambda=\max\{\Delta x_i\} λ = max { Δ x i }
取点 :在每个小区间上任取 ξ i ∈ [ x i − 1 , x i ] \xi_i\in[x_{i-1},x_i] ξ i ∈ [ x i − 1 , x i ]
求和 (黎曼和):S = ∑ i = 1 n f ( ξ i ) Δ x i S = \sum\limits_{i=1}^{n}f(\xi_i)\Delta x_i S = i = 1 ∑ n f ( ξ i ) Δ x i
取极限 :若 λ → 0 \lambda\to 0 λ → 0 时 S S S 的极限存在,且与分割方式、取点方式都无关 ,则称 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上可积,极限值记作 ∫ a b f ( x ) d x \int_a^b f(x)\,dx ∫ a b f ( x ) d x
可积的充分条件 (记住两条就够):f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上连续,或 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上有界且只有有限个间断点,则 f f f 可积。定积分是一个数 ,与不定积分是不同对象;牛顿-莱布尼茨公式 把两者接通:F F F 为 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上的任一原函数时
∫ a b f ( x ) d x = F ( b ) − F ( a ) \int_a^b f(x)\,dx = F(b)-F(a) ∫ a b f ( x ) d x = F ( b ) − F ( a )
本章所有"先求原函数再代限"的计算,背后都是这条公式。
不定积分:选型决策树
拿到积分先问"被积函数长什么样",而不是上来就动笔。整套决策流程:
决策顺序有讲究:先看能不能凑微分 (成本最低),再看是否两类函数乘积 (分部),再看根式 (第二类换元),最后有理函数部分分式 (万能但最费时)。考场先花 10 秒选型,比埋头硬算 5 分钟强。
凑微分模式表(第一类换元)
第一类换元的本质:把被积式的一部分识别为某函数的微分 。高频模式必须形成条件反射:
第二类换元:三类根式代换
倒代换 x = 1 t x = \frac{1}{t} x = t 1 :分母幂次明显高于分子时用(如 ∫ d x x 2 1 + x 2 \int\frac{dx}{x^2\sqrt{1+x^2}} ∫ x 2 1 + x 2 d x 型),本质是把分母的 x x x 换到分子。
分部积分:选 u 的口诀
∫ u d v = u v − ∫ v d u \int u\,dv = uv - \int v\,du ∫ u d v = uv − ∫ v d u
两类不同函数相乘时,按 "反、对、幂、指、三" 的优先级选 u u u (排前者当 u u u ,排后者进 d v dv d v )。这个口诀是让 ∫ v d u \int v\,du ∫ v d u 比 ∫ u d v \int u\,dv ∫ u d v 更简单 的经验总结:
∫ x e x d x \int x e^x\,dx ∫ x e x d x :幂在指前,u = x u = x u = x ,d v = e x d x dv = e^x dx d v = e x d x
∫ x ln x d x \int x\ln x\,dx ∫ x ln x d x :对在幂前,u = ln x u = \ln x u = ln x ,d v = x d x dv = x\,dx d v = x d x
∫ x arctan x d x \int x\arctan x\,dx ∫ x arctan x d x :反三角在幂前,u = arctan x u = \arctan x u = arctan x
∫ e x sin x d x \int e^x\sin x\,dx ∫ e x sin x d x :指与三同级,任选一个当 u u u ,两次分部后移项解方程
有理函数部分分式分解
任何 P ( x ) Q ( x ) \dfrac{P(x)}{Q(x)} Q ( x ) P ( x ) (P , Q P,Q P , Q 为多项式)的原函数都是初等函数,步骤固定:
假分式(分子次数 ≥ 分母)先做除法化为"多项式 + 真分式"
分母 Q ( x ) Q(x) Q ( x ) 在实数范围内分解为一次因式 ( x − a ) k (x-a)^k ( x − a ) k 与不可约二次因式 ( x 2 + p x + q ) j (x^2+px+q)^j ( x 2 + p x + q ) j (p 2 < 4 q p^2<4q p 2 < 4 q )
按模板拆:
P ( x ) Q ( x ) = ∑ i = 1 k A i ( x − a ) i + ∑ i = 1 j B i x + C i ( x 2 + p x + q ) i \frac{P(x)}{Q(x)} = \sum_{i=1}^{k}\frac{A_i}{(x-a)^i} + \sum_{i=1}^{j}\frac{B_ix+C_i}{(x^2+px+q)^i} Q ( x ) P ( x ) = ∑ i = 1 k ( x − a ) i A i + ∑ i = 1 j ( x 2 + p x + q ) i B i x + C i
定系数:代入特殊根 (最优先)+ 比较同次幂系数
逐项积分:一次式直接 ln \ln ln ;二次式配方后拆成 2 x + p x 2 + p x + q \dfrac{2x+p}{x^2+px+q} x 2 + p x + q 2 x + p 型(凑对数)与 1 ( x + p 2 ) 2 + a 2 \dfrac{1}{(x+\frac{p}{2})^2 + a^2} ( x + 2 p ) 2 + a 2 1 型(凑 arctan \arctan arctan )
三角函数有理式 ∫ R ( sin x , cos x ) d x \int R(\sin x,\cos x)\,dx ∫ R ( sin x , cos x ) d x 的万能代换 t = tan x 2 t = \tan\frac{x}{2} t = tan 2 x (仅数一大纲点名,数二了解即可)是最后手段,优先尝试奇偶化简(sin x d x = − d cos x \sin x\,dx = -d\cos x sin x d x = − d cos x 等)。
定积分:性质与对称性技巧
基本性质
线性、区间可加、f ≤ g ⇒ ∫ f ≤ ∫ g f\le g \Rightarrow \int f \le \int g f ≤ g ⇒ ∫ f ≤ ∫ g 。另有两条需要完整陈述(证明题与估值类选择题常用):
估值定理 :若 m ≤ f ( x ) ≤ M m\le f(x)\le M m ≤ f ( x ) ≤ M 于 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] ,则 m ( b − a ) ≤ ∫ a b f ( x ) d x ≤ M ( b − a ) m(b-a)\le\int_a^b f(x)\,dx\le M(b-a) m ( b − a ) ≤ ∫ a b f ( x ) d x ≤ M ( b − a ) (m , M m,M m , M 可取最值或任一上下界)
积分中值定理 :若 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上连续,则存在 ξ ∈ ( a , b ) \xi\in(a,b) ξ ∈ ( a , b ) 使
∫ a b f ( x ) d x = f ( ξ ) ( b − a ) \int_a^b f(x)\,dx = f(\xi)(b-a) ∫ a b f ( x ) d x = f ( ξ ) ( b − a )
几何读法:曲边梯形面积等于某个同底矩形的面积,1 b − a ∫ a b f \dfrac{1}{b-a}\int_a^b f b − a 1 ∫ a b f 即 f f f 在 [ a , b ] [a,b] [ a , b ] 上的平均值 。命题人怎么考 :与微分中值定理串题——对变限函数 F ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t F(x)=\int_a^x f(t)\,dt F ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t 用拉格朗日中值定理,得到的正是积分中值定理;"证明存在 ξ \xi ξ 使某积分等式成立"类题目几乎都走这条路。
奇偶与周期是考研最值的两个免费分技巧:
∫ − a a f ( x ) d x = { 0 , f 为奇函数 2 ∫ 0 a f ( x ) d x , f 为偶函数 \int_{-a}^{a}f(x)\,dx = \begin{cases}0, & f \text{ 为奇函数}\\ 2\int_0^a f(x)\,dx, & f \text{ 为偶函数}\end{cases} ∫ − a a f ( x ) d x = { 0 , 2 ∫ 0 a f ( x ) d x , f 为奇函数 f 为偶函数
f 以 T 为周期 ⟹ ∫ a a + T f ( x ) d x = ∫ 0 T f ( x ) d x (与起点无关) f \text{ 以 } T \text{ 为周期} \implies \int_a^{a+T}f(x)\,dx = \int_0^T f(x)\,dx \text{(与起点无关)} f 以 T 为周期 ⟹ ∫ a a + T f ( x ) d x = ∫ 0 T f ( x ) d x (与起点无关)
先查奇偶周期再动笔 ,是定积分第一大纪律。遇到非对称区间可先用区间可加移成对称区间。
区间再现公式(翻转技巧)
∫ 0 a f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( a − x ) d x \int_0^a f(x)\,dx = \int_0^a f(a-x)\,dx ∫ 0 a f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( a − x ) d x
证明一行:右边换元 x = a − t x = a - t x = a − t 即得。威力在于把 x x x 换成 a − x a-x a − x 后两式相加 ,消去讨厌的因子。最重要的推论:
∫ 0 π x f ( sin x ) d x = π 2 ∫ 0 π f ( sin x ) d x \int_0^\pi x f(\sin x)\,dx = \frac{\pi}{2}\int_0^\pi f(\sin x)\,dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x = 2 π ∫ 0 π f ( sin x ) d x
分子上的 x x x 直接被"平均"掉——遇到 x sin n x x\sin^n x x sin n x 、x sin x 1 + cos 2 x \dfrac{x\sin x}{1+\cos^2 x} 1 + cos 2 x x sin x 这类题,区间再现是唯一正解(见例题 3)。
变限积分求导
f f f 连续时 Φ ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t \Phi(x) = \int_a^x f(t)\,dt Φ ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t 可导且 Φ ′ ( x ) = f ( x ) \Phi'(x) = f(x) Φ ′ ( x ) = f ( x ) ——这是"积分产生新函数"的基石。一般形式(上限为复合函数):
d d x ∫ u ( x ) v ( x ) f ( t ) d t = f ( v ( x ) ) v ′ ( x ) − f ( u ( x ) ) u ′ ( x ) \frac{d}{dx}\int_{u(x)}^{v(x)}f(t)\,dt = f(v(x))v'(x) - f(u(x))u'(x) d x d ∫ u ( x ) v ( x ) f ( t ) d t = f ( v ( x )) v ′ ( x ) − f ( u ( x )) u ′ ( x )
被积函数含 x x x 时禁止直接套 (求导变量与积分变量混了),两条出路:
拆项提出 :∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t = x ∫ 0 x f ( t ) d t − ∫ 0 x t f ( t ) d t \int_0^x (x-t)f(t)\,dt = x\int_0^x f(t)\,dt - \int_0^x tf(t)\,dt ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t = x ∫ 0 x f ( t ) d t − ∫ 0 x t f ( t ) d t ,再求导
换元内移 :∫ 0 x f ( x − t ) d t \int_0^x f(x-t)\,dt ∫ 0 x f ( x − t ) d t 令 u = x − t u = x-t u = x − t 化为 ∫ 0 x f ( u ) d u \int_0^x f(u)\,du ∫ 0 x f ( u ) d u 后求导
华里士公式(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 , n 为奇数 \int_0^{\pi/2}\sin^n x\,dx = \int_0^{\pi/2}\cos^n x\,dx = \begin{cases}\dfrac{n-1}{n}\cdot\dfrac{n-3}{n-2}\cdots\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\pi}{2}, & n \text{ 为偶数}\\[2mm] \dfrac{n-1}{n}\cdot\dfrac{n-3}{n-2}\cdots\dfrac{2}{3}, & 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 , n 为偶数 n 为奇数
口诀:"偶添 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π ,奇止于 2 3 \dfrac{2}{3} 3 2 "。
适用条件(缺一不可) :积分区间恰为 [ 0 , π 2 ] [0,\frac{\pi}{2}] [ 0 , 2 π ] ,且被积函数是 sin \sin sin 或 cos \cos cos 的整数次幂 。其他区间必须先做对称性换算:
反常积分:敛散性判别与计算
两类:无穷限 (∫ 1 + ∞ \int_1^{+\infty} ∫ 1 + ∞ )与瑕积分 (区间内有无穷间断点)。先给定义 ——反常积分都是"先算定积分、再取极限":
∫ a + ∞ f ( x ) d x 定义为 lim t → + ∞ ∫ a t f ( x ) d x \int_a^{+\infty}f(x)\,dx \;\text{定义为}\; \lim_{t\to+\infty}\int_a^{t}f(x)\,dx ∫ a + ∞ f ( x ) d x 定义为 lim t → + ∞ ∫ a t f ( x ) d x
极限存在称收敛 ,不存在称发散 ;∫ − ∞ b \int_{-\infty}^{b} ∫ − ∞ b 对称定义。∫ − ∞ + ∞ \int_{-\infty}^{+\infty} ∫ − ∞ + ∞ 必须拆成两段(如 ∫ − ∞ 0 + ∫ 0 + ∞ \int_{-\infty}^{0}+\int_{0}^{+\infty} ∫ − ∞ 0 + ∫ 0 + ∞ )各自收敛 才收敛,任一段发散即整体发散——不能笼统地"对称抵消"。
瑕积分 :若 f f f 在 b b b 点的任何左侧邻域内无界(b b b 称瑕点 ),则定义
∫ a b f ( x ) d x = lim ε → 0 + ∫ a b − ε f ( x ) d x \int_a^{b}f(x)\,dx = \lim_{\varepsilon\to 0^+}\int_a^{b-\varepsilon}f(x)\,dx ∫ a b f ( x ) d x = lim ε → 0 + ∫ a b − ε f ( x ) d x
瑕点在区间内部时必须从瑕点处拆开、两段各自收敛。判别先于计算——发散就不要算。
两个标准尺度 (比较判别法的参照物):
∫ 1 + ∞ d x x p 收敛 ⟺ p > 1 , ∫ 0 1 d x x p 收敛 ⟺ p < 1 \int_1^{+\infty}\frac{dx}{x^p}\text{ 收敛} \iff p>1, \qquad \int_0^1\frac{dx}{x^p}\text{ 收敛} \iff p<1 ∫ 1 + ∞ x p d x 收敛 ⟺ p > 1 , ∫ 0 1 x p d x 收敛 ⟺ p < 1
常见结论:∫ e + ∞ d x x ln p x \int_e^{+\infty}\dfrac{dx}{x\ln^p x} ∫ e + ∞ x ln p x d x 当且仅当 p > 1 p>1 p > 1 收敛(换元 t = ln x t=\ln x t = ln x 化为第一个尺度);∫ 0 + ∞ e − a x d x \int_0^{+\infty}e^{-ax}dx ∫ 0 + ∞ e − a x d x (a > 0 a>0 a > 0 )收敛于 1 a \dfrac{1}{a} a 1 。
计算示范 (双重反常:瑕点 x = 1 x=1 x = 1 + 无穷限):∫ 1 + ∞ d x x x 2 − 1 \int_1^{+\infty}\dfrac{dx}{x\sqrt{x^2-1}} ∫ 1 + ∞ x x 2 − 1 d x 。令 x = sec t x = \sec t x = sec t ,d x = sec t tan t d t dx = \sec t\tan t\,dt d x = sec t tan t d t ,x 2 − 1 = tan t \sqrt{x^2-1} = \tan t x 2 − 1 = tan t ,被积式化为 d t dt d t ,x : 1 → + ∞ x:1\to+\infty x : 1 → + ∞ 对应 t : 0 → π 2 t:0\to\frac{\pi}{2} t : 0 → 2 π :
∫ 1 + ∞ d x x x 2 − 1 = ∫ 0 π / 2 d t = π 2 (收敛) \int_1^{+\infty}\frac{dx}{x\sqrt{x^2-1}} = \int_0^{\pi/2}dt = \frac{\pi}{2} \text{(收敛)} ∫ 1 + ∞ x x 2 − 1 d x = ∫ 0 π /2 d t = 2 π (收敛)
拆项陷阱 :∫ a + ∞ [ f ( x ) − g ( x ) ] d x \int_a^{+\infty}[f(x)-g(x)]dx ∫ a + ∞ [ f ( x ) − g ( x )] d x 若拆成两项各自发散 ,不能断言原积分发散(如 ∫ 1 + ∞ ( 1 x − 1 x + 1 ) d x = ln 2 \int_1^{+\infty}\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1}\right)dx = \ln 2 ∫ 1 + ∞ ( x 1 − x + 1 1 ) d x = ln 2 收敛);反之,若任一项收敛另一项发散 ,则原积分必发散。
定积分的几何应用
平面图形面积
直角坐标:S = ∫ a b ∥ f ( x ) − g ( x ) ∥ d x S = \int_a^b\|f(x)-g(x)\|\,dx S = ∫ a b ∥ f ( x ) − g ( x ) ∥ d x (先求交点定限,大减小)。
极坐标(数一数二均考):
S = 1 2 ∫ α β r 2 ( θ ) d θ S = \frac{1}{2}\int_\alpha^\beta r^2(\theta)\,d\theta S = 2 1 ∫ α β r 2 ( θ ) d θ
忘乘 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 是本考点第一大错 。自查:r = cos θ r=\cos\theta r = cos θ 是半径 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 的圆,面积必须等于 π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π 。
旋转体体积
弧长与旋转曲面(仅数一)
弧长公式三张脸记一个原则:都是"微分勾股定理" d s 2 = d x 2 + d y 2 \ ds^2 = dx^2+dy^2 d s 2 = d x 2 + d y 2 的变形。旋转曲面 = 周长 2 π ∥ y ∥ 2\pi\|y\| 2 π ∥ y ∥ × 弧微元。
例题
例题 1(模拟题)分部积分的"构造性"用法
求 ∫ x e x ( 1 + x ) 2 d x \int\dfrac{xe^x}{(1+x)^2}\,dx ∫ ( 1 + x ) 2 x e x d x 。
解析 :被积函数是幂、指、分式的混合,硬分部会越算越乱。注意到分母 ( 1 + x ) 2 (1+x)^2 ( 1 + x ) 2 恰好是 1 1 + x \dfrac{1}{1+x} 1 + x 1 的导数结构,把 d x ( 1 + x ) 2 \dfrac{dx}{(1+x)^2} ( 1 + x ) 2 d x 整体看作 − d ( 1 1 + x ) -d\left(\dfrac{1}{1+x}\right) − d ( 1 + x 1 ) :
∫ x e x ( 1 + x ) 2 d x = − ∫ x e x d ( 1 1 + x ) = − x e x 1 + x + ∫ 1 1 + x ( e x + x e x ) d x \int\frac{xe^x}{(1+x)^2}dx = -\int xe^x\,d\left(\frac{1}{1+x}\right) = -\frac{xe^x}{1+x} + \int\frac{1}{1+x}(e^x + xe^x)\,dx ∫ ( 1 + x ) 2 x e x d x = − ∫ x e x d ( 1 + x 1 ) = − 1 + x x e x + ∫ 1 + x 1 ( e x + x e x ) d x
后一式分子恰好 ( 1 + x ) e x (1+x)e^x ( 1 + x ) e x :
= − x e x 1 + x + e x + C = e x 1 + x + C = -\frac{xe^x}{1+x} + e^x + C = \frac{e^x}{1+x} + C = − 1 + x x e x + e x + C = 1 + x e x + C
验证 :( 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{xe^x}{(1+x)^2} ( 1 + x e x ) ′ = ( 1 + x ) 2 e x ( 1 + x ) − e x = ( 1 + x ) 2 x e x ,成立。
套路总结 :出现 e x ( 1 + x ) 2 \dfrac{e^x}{(1+x)^2} ( 1 + x ) 2 e x 、ln x ( 1 + x ) 2 \dfrac{\ln x}{(1+x)^2} ( 1 + x ) 2 ln x 这类"分母导数结构",优先试 d ( 1 1 + x ) d\left(\dfrac{1}{1+x}\right) d ( 1 + x 1 ) 方向的分部,而不是强行拆项。
例题 2(模拟题)有理函数部分分式
求 ∫ d x x ( x 2 + 1 ) \int\dfrac{dx}{x(x^2+1)} ∫ x ( x 2 + 1 ) d x 。
解析 :分母已分解为一次因式 x x x 与不可约二次因式 x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 ,设:
1 x ( x 2 + 1 ) = A x + B x + C x 2 + 1 \frac{1}{x(x^2+1)} = \frac{A}{x} + \frac{Bx+C}{x^2+1} x ( x 2 + 1 ) 1 = x A + x 2 + 1 B x + C
通分比较:1 = A ( x 2 + 1 ) + x ( B x + C ) 1 = A(x^2+1) + x(Bx+C) 1 = A ( x 2 + 1 ) + x ( B x + C ) 。代入根 x = 0 x=0 x = 0 得 A = 1 A=1 A = 1 ;比较 x 2 x^2 x 2 项 0 = 1 + B 0 = 1 + B 0 = 1 + B 得 B = − 1 B=-1 B = − 1 ;比较 x x x 项 C = 0 C=0 C = 0 。于是:
∫ d x x ( x 2 + 1 ) = ∫ d x x − ∫ x x 2 + 1 d x = ln ∣ x ∣ − 1 2 ln ( x 2 + 1 ) + C \int\frac{dx}{x(x^2+1)} = \int\frac{dx}{x} - \int\frac{x}{x^2+1}dx = \ln|x| - \frac{1}{2}\ln(x^2+1) + C ∫ x ( x 2 + 1 ) d x = ∫ x d x − ∫ x 2 + 1 x d x = ln ∣ x ∣ − 2 1 ln ( x 2 + 1 ) + C
定系数提速 :先代根(一次因式的根),再比最高次与最低次幂系数,多数题不用解方程组。
例题 3(模拟题)区间再现消去分子上的 x x x
求 I = ∫ 0 π x sin x 1 + cos 2 x d x I = \int_0^\pi\dfrac{x\sin x}{1+\cos^2 x}\,dx I = ∫ 0 π 1 + cos 2 x x sin x d x 。
解析 :分子上的 x x x 让分部积分变成灾难。区间再现:x → π − x x \to \pi - x x → π − x ,
I = ∫ 0 π ( π − x ) sin x 1 + cos 2 x d x I = \int_0^\pi\frac{(\pi-x)\sin x}{1+\cos^2 x}dx I = ∫ 0 π 1 + c o s 2 x ( π − x ) s i n x d x
两式相加:
2 I = π ∫ 0 π sin x 1 + cos 2 x d x = π [ − arctan ( cos x ) ] 0 π = π ( π 4 + π 4 ) = π 2 2 2I = \pi\int_0^\pi\frac{\sin x}{1+\cos^2 x}dx = \pi\left[-\arctan(\cos x)\right]_0^\pi = \pi\left(\frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\pi^2}{2} 2 I = π ∫ 0 π 1 + c o s 2 x s i n x d x = π [ − arctan ( cos x ) ] 0 π = π ( 4 π + 4 π ) = 2 π 2
故 I = π 2 4 I = \dfrac{\pi^2}{4} I = 4 π 2 。
套路总结 :∫ 0 π x f ( sin x ) d x \int_0^\pi x f(\sin x)\,dx ∫ 0 π x f ( sin x ) d x 一律先区间再现再点火,分子 x x x 变成系数 π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π 。
例题 4(模拟题)变限积分求导:被积函数含 x x x
设 f f f 连续,F ( x ) = ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t F(x) = \int_0^x (x-t)f(t)\,dt F ( x ) = ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t ,求 F ′ ( x ) F'(x) F ′ ( x ) 与 F ′ ′ ( x ) F''(x) F ′′ ( x ) 。
解析 :被积函数含 x x x ,先拆项提出 再求导:
F ( x ) = x ∫ 0 x f ( t ) d t − ∫ 0 x t f ( t ) d t F(x) = x\int_0^x f(t)\,dt - \int_0^x tf(t)\,dt F ( x ) = x ∫ 0 x f ( t ) d t − ∫ 0 x t f ( t ) d t
F ′ ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t + x f ( x ) − x f ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t F'(x) = \int_0^x f(t)\,dt + xf(x) - xf(x) = \int_0^x f(t)\,dt F ′ ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t + x f ( x ) − x f ( x ) = ∫ 0 x f ( t ) d t
F ′ ′ ( x ) = f ( x ) F''(x) = f(x) F ′′ ( x ) = f ( x )
坑 :直接写 F ′ ( x ) = ( x − x ) f ( x ) = 0 F'(x) = (x-x)f(x) = 0 F ′ ( x ) = ( x − x ) f ( x ) = 0 是经典错误——变限求导公式只适用于被积函数不含 x x x 的情形。
(上限为复合函数的对照):d d x ∫ 0 sin x e − t 2 d t = e − sin 2 x cos x \dfrac{d}{dx}\int_0^{\sin x}e^{-t^2}dt = e^{-\sin^2 x}\cos x d x d ∫ 0 s i n x e − t 2 d t = e − s i n 2 x cos x ,链式法则别丢内层导数。
例题 5(模拟题)点火公式的区间换算与指数奇偶陷阱
计算:(1)∫ 0 π / 2 sin 5 x d x \int_0^{\pi/2}\sin^5 x\,dx ∫ 0 π /2 sin 5 x d x ;(2)∫ 0 π sin 4 x d x \int_0^\pi\sin^4 x\,dx ∫ 0 π sin 4 x d x ;(3)∫ 0 π cos 4 x d x \int_0^\pi\cos^4 x\,dx ∫ 0 π cos 4 x d x ;(4)∫ 0 π sin 3 x d x \int_0^\pi\sin^3 x\,dx ∫ 0 π sin 3 x d x 。
解析 :
(1)区间正是 [ 0 , π 2 ] [0,\frac{\pi}{2}] [ 0 , 2 π ] ,直接点火(奇数,止于 2 3 \frac{2}{3} 3 2 ):4 5 ⋅ 2 3 = 8 15 \dfrac{4}{5}\cdot\dfrac{2}{3} = \dfrac{8}{15} 5 4 ⋅ 3 2 = 15 8 。
(2)区间是 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] ,先对称换算再点火:2 ∫ 0 π / 2 sin 4 x d x = 2 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 3 π 8 2\int_0^{\pi/2}\sin^4 x\,dx = 2\cdot\dfrac{3}{4}\cdot\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\pi}{2} = \dfrac{3\pi}{8} 2 ∫ 0 π /2 sin 4 x d x = 2 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 8 3 π 。
(3)cos 4 \cos^4 cos 4 偶次同号不抵消:2 ⋅ 3 4 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = 3 π 8 2\cdot\dfrac{3}{4}\cdot\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\pi}{2} = \dfrac{3\pi}{8} 2 ⋅ 4 3 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 8 3 π 。
(4)陷阱题 :若照抄(2)的"直接点火再翻倍"之外偷懒——错解是只点火不翻倍得 2 3 \dfrac{2}{3} 3 2 。正解:2 ∫ 0 π / 2 sin 3 x d x = 2 ⋅ 2 3 = 4 3 2\int_0^{\pi/2}\sin^3 x\,dx = 2\cdot\dfrac{2}{3} = \dfrac{4}{3} 2 ∫ 0 π /2 sin 3 x d x = 2 ⋅ 3 2 = 3 4 。
坑位总结 :区间不是 [ 0 , π 2 ] [0,\frac{\pi}{2}] [ 0 , 2 π ] 必须先换算;幂次奇偶决定 cos \cos cos 在 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 、[ 0 , 2 π ] [0,2\pi] [ 0 , 2 π ] 上是否归零;sin \sin sin 在 [ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上无论奇偶都翻倍,在 [ 0 , 2 π ] [0,2\pi] [ 0 , 2 π ] 上奇次归零偶次乘 4。
例题 6(模拟题)旋转体体积:绕 x 轴与绕 y 轴
求 y = sin x y = \sin x y = sin x (0 ≤ x ≤ π 0\le x\le\pi 0 ≤ x ≤ π )与 x x x 轴所围图形分别绕 x x x 轴、y y y 轴旋转一周的体积。
解析 :
绕 x x x 轴(圆盘法):
V x = π ∫ 0 π sin 2 x d x = π ⋅ π 2 = π 2 2 V_x = \pi\int_0^\pi\sin^2 x\,dx = \pi\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\pi^2}{2} V x = π ∫ 0 π sin 2 x d x = π ⋅ 2 π = 2 π 2
绕 y y y 轴(柱壳法,避开 x = arcsin y x = \arcsin y x = arcsin y 与 x = π − arcsin y x = \pi - \arcsin y x = π − arcsin y 的分段尴尬):
V y = 2 π ∫ 0 π x sin x d x = 2 π [ − x cos x + sin x ] 0 π = 2 π ⋅ π = 2 π 2 V_y = 2\pi\int_0^\pi x\sin x\,dx = 2\pi\left[-x\cos x + \sin x\right]_0^\pi = 2\pi\cdot\pi = 2\pi^2 V y = 2 π ∫ 0 π x sin x d x = 2 π [ − x cos x + sin x ] 0 π = 2 π ⋅ π = 2 π 2
选型提示 :曲线给出的 y y y 关于 x x x 单值而 x x x 关于 y y y 不单值时,绕 y y y 轴用柱壳法一步到位;绕任意直线(如 y = 1 y = 1 y = 1 )时画截面,半径是"曲线到轴的距离",先平移再套公式。
常见坑
点火公式区间不是 [ 0 , π 2 ] [0,\frac{\pi}{2}] [ 0 , 2 π ] 直接套 :[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 、[ 0 , 2 π ] [0,2\pi] [ 0 , 2 π ] 、[ π 2 , π ] [\frac{\pi}{2},\pi] [ 2 π , π ] 各有换算规则,见换算表
指数奇偶陷阱 :[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上 cos 3 x \cos^3 x cos 3 x 积分是 0 0 0 (不是点火值翻倍),[ 0 , π ] [0,\pi] [ 0 , π ] 上 sin 3 x \sin^3 x sin 3 x 是点火值翻倍 4 3 \frac{4}{3} 3 4 (不是 2 3 \frac{2}{3} 3 2 )
变限积分被积函数含 x x x 直接套求导公式 :F ( x ) = ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t F(x)=\int_0^x(x-t)f(t)dt F ( x ) = ∫ 0 x ( x − t ) f ( t ) d t 必须先拆项 (例题 4)
上限是 sin x \sin x sin x 等复合函数忘乘内层导数
分部积分 u 选错方向 :u u u 选了指数/三角导致循环放大,回到"反、对、幂、指、三"
有理函数是假分式不先做除法 ,部分分式模板只对真分式成立
第二类换元后忘记换积分限 (定积分)或忘记回代 (不定积分)
反常积分不先判敛散就计算 ;拆项后"各自发散"推不出整体发散
极坐标面积忘乘 1 2 \dfrac{1}{2} 2 1 ;柱壳法绕 y y y 轴忘乘 2 π x 2\pi x 2 π x 因子
弧长与旋转曲面当公共考点记 :二者是仅数一 考点,数二卷不出现(卷种确认前按超集学,确认后可划走)
自测
求 ∫ d x x ( 1 + x ) \int\dfrac{dx}{\sqrt{x}(1+x)} ∫ x ( 1 + x ) d x
求 ∫ 0 1 x 2 e x d x \int_0^1 x^2e^x\,dx ∫ 0 1 x 2 e x d x
求 ∫ − π / 2 π / 2 ( 1 + sin 3 x ) cos 2 x d x \int_{-\pi/2}^{\pi/2}(1+\sin^3 x)\cos^2 x\,dx ∫ − π /2 π /2 ( 1 + sin 3 x ) cos 2 x d x
设 f f f 连续,求 d d x ∫ 0 cos x sin ( t 2 ) d t \dfrac{d}{dx}\int_0^{\cos x}\sin(t^2)\,dt d x d ∫ 0 c o s x sin ( t 2 ) d t
判断并计算反常积分 ∫ 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
自测答案与简析
令 t = x t=\sqrt{x} t = x (d x = 2 t d t dx = 2t\,dt d x = 2 t d t ):∫ 2 d t 1 + t 2 = 2 arctan x + C \int\dfrac{2\,dt}{1+t^2} = 2\arctan\sqrt{x} + C ∫ 1 + t 2 2 d t = 2 arctan x + C 。根式整体代换的最小样本
分部两次(幂×指,u = x 2 u=x^2 u = x 2 起手):[ ( x 2 − 2 x + 2 ) e x ] 0 1 = e − 2 \left[(x^2-2x+2)e^x\right]_0^1 = e - 2 [ ( x 2 − 2 x + 2 ) e x ] 0 1 = e − 2
sin 3 x cos 2 x \sin^3x\cos^2x sin 3 x cos 2 x 为奇函数积分为 0 0 0 ,剩下 2 ∫ 0 π / 2 cos 2 x d x = 2 ⋅ 1 2 ⋅ π 2 = π 2 2\int_0^{\pi/2}\cos^2 x\,dx = 2\cdot\dfrac{1}{2}\cdot\dfrac{\pi}{2} = \dfrac{\pi}{2} 2 ∫ 0 π /2 cos 2 x d x = 2 ⋅ 2 1 ⋅ 2 π = 2 π 。先查奇偶再点火
上限复合:sin ( cos 2 x ) ⋅ ( cos x ) ′ = − sin x sin ( cos 2 x ) \sin(\cos^2 x)\cdot(\cos x)' = -\sin x\,\sin(\cos^2 x) sin ( cos 2 x ) ⋅ ( cos x ) ′ = − sin x sin ( cos 2 x ) 。符号来自内层导数
分母 = ( x + 1 ) 2 + 1 =(x+1)^2+1 = ( x + 1 ) 2 + 1 ,[ arctan ( x + 1 ) ] 0 + ∞ = π 2 − π 4 = π 4 \left[\arctan(x+1)\right]_0^{+\infty} = \dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{4} = \dfrac{\pi}{4} [ arctan ( x + 1 ) ] 0 + ∞ = 2 π − 4 π = 4 π ,收敛。无穷限反常积分配方后即是标准原函数
本章关联