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一些经常用到的原函数

sec2xtanx,csc2xcotx\sec^2 x \Rightarrow \tan x,\csc^2 x\Rightarrow -\cot x

xx2+ax2+a\frac{x}{\sqrt{x^2+a}} \Rightarrow \sqrt{x^2+a}

一些需要记忆的基本不定积分

tanxdx=lncosx+C,cotxdx=lnsinx+C\int \tan x \mathrm d x=-\ln|\cos x|+C,\int \cot x\mathrm d x=\ln|\sin x|+C

1a2+x2dx=1aarctan(xa)+C1a2+x2dx=ln(x+a2+x2)+C(x)\int \frac{1}{a^2+x^2}\mathrm d x=\frac{1}{a}\arctan(\frac{x}{a})+C\\ \int\frac{1}{\sqrt{a^2+x^2}}\mathrm d x=\ln(x+\sqrt{a^2+x^2})+C(注意是x)

1a2x2dx=12alnx+axa+C1a2x2=arcsin(xa)+C\int \frac{1}{a^2-x^2}\mathrm dx=\frac{1}{2a}\ln\left|\frac{x+a}{x-a}\right|+C\\ \int\frac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}=\arcsin(\frac{x}{a})+C

1x2a2dx=lnx+x2a2+C1x2a2=12alnx+axa+C\int\frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}\mathrm d x=\ln|x+\sqrt{x^2-a^2}|+C\\ \int\frac{1}{x^2-a^2}=-\frac{1}{2a}\ln\left|\frac{x+a}{x-a}\right|+C

secxdx=sec2x+secxtanxsecx+tanxdx=lnsecx+tanx+Ccscxdx=lncscxcotx+C\int \sec x \mathrm d x=\int \frac{\sec^2 x+\sec x \tan x}{\sec x + \tan x}\mathrm d x=\ln |\sec x+\tan x|+C \\ \int \csc x \mathrm d x=\ln|\csc x-\cot x|+C

tan2xdx=(sec2x1)dx=tanxx+C\int \tan^2 x \mathrm d x=\int (\sec^2x-1)\mathrm d x=\tan x-x+C

1sinxlntanx2+C\int \frac{1}{\sin x} \Rightarrow \ln \tan \frac{x}{2}+C

  • 注:没有规定变量的范围,如果我们求定积分:

02a1x2a2dx\int _0^{2a}\frac{1}{\sqrt{|x^2-a^2|}}\mathrm d x

这就需要我们分段讨论。

积分的线性性

f+gdx=fdx+gdx\int f+g\mathrm d x=\int f\mathrm d x+\int g\mathrm d x

拆分分子。

第一类换元法

总结为识别出换元的形式。

f[φ(x)]φ(x)dx=f[φ(x)]d[φ(x)]=F(φ(x))+C\int f[\varphi(x)] \varphi'(x) \mathrm dx=\int f[\varphi(x)]\mathrm d[\varphi(x)]=F(\varphi(x))+C

本质在于换元。我们常用:

f(ax+b)dx=1af(ax+b)d(ax+b)\int f(ax+b)\mathrm d x=\frac{1}{a} \int f(ax+b) \mathrm d(ax+b)

一个技巧是构造:

ffdx\int \frac{f'}{f} \mathrm dx

如:

secxdx=sec2x+secxtanxsecx+tanxdx=lnsecx+tanx+Ccscxdx=lncscxcotx+Ctanxdx=lncosx+C\int \sec x \mathrm d x=\int \frac{\sec^2 x+\sec x \tan x}{\sec x + \tan x}\mathrm d x=\ln |\sec x+\tan x|+C \\ \int \csc x \mathrm d x=\ln|\csc x-\cot x|+C \\ \int \tan x\mathrm d x=\ln|\cos x|+C

凑微分法

这里和积分有点不一样,是比较简易型的求原函数,如:

dx=1ad(ax+b)(a0)\mathrm d x=\frac{1}{a}\mathrm d (ax+b)(a\not=0)

xdx=12d(x2±a2)=12d(a2x2)x\mathrm d x=\frac{1}{2}\mathrm d (x^2\pm a^2)=-\frac{1}{2}\mathrm d (a^2-x^2)

sinxdx=dcosx\sin x\mathrm d x=-\mathrm d \cos x

cosxdx=dsinx\cos x\mathrm d x=\mathrm d \sin x

1xdx=dlnx\frac{1}{x}\mathrm d x=\mathrm d \ln|x|

exdx=dexe^x\mathrm d x=\mathrm d e^x

第二类换元法

总结为主动换元。令 x=φ(t)x=\varphi(t),其中,不一定要强制代入反函数,可以观察形式,列出方程,来求解,但是需要千万注意的是最后的答案不能含 tt

f(x)dx=f[φ(t)]φ(t)dt=F(t)+C=F(φ1(x))+C\int f(x)\mathrm d x=\int f[\varphi(t)] \varphi'(t) \mathrm d t=F(t)+C=F(\varphi^{-1}(x))+C

处理 x2±a2,a2±x2\sqrt{x^2\pm a^2},\sqrt{a^2\pm x^2} 可以三角代换。

  1. x2+a2\sqrt{x^2+a^2},令 x=atantx=a\tan t,则 x2+a2=asect\sqrt{x^2+a^2}=a\sec t
  2. x2a2\sqrt{x^2-a^2},令 x=asectx=a\sec t,则 x2a2=atant\sqrt{x^2-a^2}=a\tan t
  3. a2x2\sqrt{a^2-x^2},令 x=acostx=a\cos t,则 a2x2=asint\sqrt{a^2-x^2}=a\sin t

回代过程中我们经常遇到各种反三角函数,它们的关系是:

\arcsin x+\arccos x=\frac{\pi}{2}=C \\ \arcsec x =\arccos \frac{1}{x},\arccsc x=\arcsin\frac{1}{x}\\ \arctan x + \arctan \frac{1}{x} = \frac{\pi}{2}=C


求:

dxx2+a2=d(atant)asect=sectdt=lnsect+tant+C=lnx+x2+a2+C\int \frac{\mathrm d x}{\sqrt{x^2+a^2}}=\int \frac{\mathrm d(a\tan t)}{a \sec t}=\int \sec t\mathrm d t=\ln|\sec t+\tan t|+C=\ln|x+\sqrt{x^2+a^2}|+C

这个结果可以记忆。

类似的:

dxx2±a2=lnx+x2±a2+C\int \frac{\mathrm d x}{\sqrt{x^2\pm a^2}}=\ln|x+\sqrt{x^2\pm a^2}|+C


求:

a2x2dx=a22(1+cos2t)dt=a2t2+a2sintcost2+C\int \sqrt{a^2-x^2}\mathrm d x=\frac{a^2}{2} \int (1+\cos 2t)\mathrm d t=\frac{a^2t}{2}+\frac{a^2\sin t\cos t}{2} +C

注意到 t=arcsinxa,cos2t+sin2t=1,cost=a2x2at=\arcsin \frac{x}{a},\cos^2t+\sin^2 t=1,\cos t=\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{a},代入即可得到:

a2x2dx=a22arcsinxa+xa2x22+C\int \sqrt{a^2-x^2}\mathrm d x=\frac{a^2}{2} \arcsin \frac{x}{a}+\frac{x\sqrt{a^2-x^2}}{2}+C

这个结果可以记忆。

现在我们还差 a2+x2dx\int \sqrt{a^2+x^2}\mathrm dx 没求,这个结果会在分部积分里面讲到。也可以:

x=tant,a2+x2dx=a2sec3tdt=12(xa2+x2+a2ln(a2+x2+x))+Cx=\tan t,\int\sqrt{a^2+x^2}\mathrm d x=a^2\int \sec^3 t\mathrm d t=\frac{1}{2}(x\sqrt{a^2+x^2}+a^2\ln(\sqrt{a^2+x^2}+x))+C


求:

b2x+c2a1x2+b1x+c1dx\int \frac{b_2 x+c_2}{\sqrt{a_1x^2+b_1x+c_1}} \mathrm d x

一般化为 α2a1x+b1a1x2+b1x+c1dx+β1a1x2+b1x+c1dx\alpha \int \frac{2a_1x+b_1}{\sqrt{a_1x^2+b_1x+c_1}} \mathrm d x+\beta \int \frac{1}{\sqrt{a_1x^2+b_1x+c_1}} \mathrm d x。前面就是 α/2a1x2+b1x+c1\alpha/2 \sqrt{a_1x^2+b_1x+c_1},后面可以转化为 dxx2±a2\int \frac{\mathrm d x}{\sqrt{x^2\pm a^2}} 的形式。


倒置换

求:

1xax2+bx+cdx\int \frac{1}{x\sqrt{ax^2+bx+c}} \mathrm d x

使用 倒置换,令 x=1tx=\frac{1}{t},则:

1xax2+bx+cdx=1t2dt1tat2+bt+c=dtct2+bt+a\int \frac{1}{x\sqrt{ax^2+bx+c}} \mathrm d x = \int \frac{-\frac{1}{t^2}\mathrm d t}{\frac{1}{t}\sqrt{\frac{a}{t^2}+\frac{b}{t}+c}}=-\int \frac{\mathrm d t}{\sqrt{ct^2+bt+a}}

然后继续换元。比如说把分子变成 (mx+n)+p2\sqrt{(mx+n)+p^2} 的形式,然后再转换为 p(mpx+np)2+1p\sqrt{(\frac{m}{p}x+\frac{n}{p})^2+1}

一般是看到分母的次数比较高,就要使用倒置换


求不定积分:

dxx(1x)\int \frac{\mathrm d x}{\sqrt{x(1-x)}}

转换为:

dx14(12x)2=2dx1(12x)2=d(12x)1(12x)2=arcsin(12x)+C\int \frac{\mathrm d x}{\sqrt{\frac{1}{4}-(\frac{1}{2}-x)^2}}=2\int\frac{\mathrm d x}{\sqrt{1-(1-2x)^2}} = -\int \frac{\mathrm d(1-2x)}{\sqrt{1-(1-2x)^2}}=\arcsin(1-2x)+C

这种题还有特殊做法,当分子可以因式分解为 (xa)(bx)(x-a)(b-x),可以换元 x=asin2t+bcos2tx=a\sin^2t+b\cos^2t


xx2+px+qdx\int x\sqrt{x^2+px+q}\mathrm dx

d(x2+px+q)\mathrm d (x^2+px+q)


二倍角公式换元

cosx+1=2cos2x2\cos x+1=2\cos^2\frac{x}{2}

如果在分子上,想要降次,则右推左,如果在分母上,想要拆项,则左推右,如:

cos2xdx,xcos2xdx\int \cos^2 x\mathrm d x,\int x\cos^2x \mathrm d x

x+sinx1+cosxdx\int \frac{x+\sin x}{1+\cos x}\mathrm d x

这个换元的核心思想是:如果换元在分子上,我们可以通过拆分积分的方式,得到几个比较简单的子积分,但是在分母上,就没有什么办法,所以要把分母变成“一个”。

分部积分

udv=uvvdu\int u \mathrm d v=uv-\int v\mathrm d u

优先次序:对数、反三角(怕积分的)<多项式<指数、三角(求完还是它本身)。


分部积分凑微分

例如,我们看到 xexdx\int xe^x \mathrm d x,就要首先想到转换为 xdex\int x\mathrm d e^x

考虑数域 {eaxcosbx,eaxsinbx}\{e^{ax}\cos bx,e^{ax}\sin bx\},其对求导与不定积分封闭,


做题的时候,可以考虑 sinx,cosx\sin x,\cos x 的共轭对,即对两个共轭的函数进行积分,得知互相的关系。凑微分的时候,可以放在一起凑。

事实上:

(P(x)cosbx+Q(x)sinbx)eax(P(x)\cos bx+Q(x)\sin bx)e^{ax}

都是封闭的,我们可以待定系数求解。


经常出现的形式:

fflnf\frac{f'}{f} \Rightarrow \ln f

f1+f2arctanf\frac{f'}{1+f^2} \Rightarrow \arctan f

11+x2arctanx\frac{1}{1+x^2}\Rightarrow \arctan x

f/f21/f-f'/f^2\Rightarrow 1/f


递推+分部积分

![image-20221122210026839](C:\Users\Steven Meng\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20221122210026839.png)

两种方法:第一类换元法,分部积分法,这里特别注意的是我们熟练运用 secx,tanx\sec x,\tan x 的关系:

secx=secxtanxtanx=sec2xtan2x+1=sec2x\sec x'=\sec x\tan x\\ \tan x'=\sec^2 x\\ \tan^2 x+1=\sec ^2 x

更进一步的,我们还可以求出:

sec5dx=sec3xtanxtanxdsec3x=sec3xtanx3tanxsecxtanxsec2xdx=sec3xtanx3(sec5xsec3x)\int \sec^5 \mathrm d x=\sec^3 x\tan x-\int \tan x\mathrm d \sec^3 x\\ =\sec^3 x\tan x-3\int \tan x \sec x \tan x \sec^2 x\mathrm d x\\ =\sec^3 x\tan x-3(\int \sec ^5x-\int \sec ^3x)

即可转化为上面的结果。


一些比较常规,经常出现的分部积分

求:

lnxdx=xlnxxdlnx=xlnxx+C\int \ln x \mathrm d x=x\ln x-\int x \mathrm d\ln x=x\ln x-x+C

因此,任意底数 aa 就除一个 lna\ln a 就行。


求:

ln(x+x2+a)dx=xln(x+x2+a)xx2+adx=xln(x+x2+a)x2+a\int \ln(x+\sqrt{x^2+a})\mathrm d x = x\ln(x+\sqrt{x^2+a}) - \int \frac{x}{\sqrt{x^2+a}} \mathrm d x = x\ln(x+\sqrt{x^2+a})-\sqrt{x^2+a}


求:

arctanxdx\int \arctan x \mathrm d x

可以与上面类似的方法做出来,但是也可以令 x=tanθx=\tan \theta,得:

θdtanθ=θtanθtanθdθ\int \theta \mathrm d \tan\theta=\theta\tan\theta-\int \tan\theta \mathrm d \theta

一般一眼看上去全是反三角函数比较适合换元。


凑分部积分的方法

再次观察公式:

udv=uvvdu\int u \mathrm d v=uv-\int v\mathrm d u

可以看到比较重要的是选择 dv\mathrm d v 和选择好的 uu 使得 du\mathrm d u 比较简洁或者和 vv 抵消。


uu

ln(sin/cos/tanx)\ln(\sin/\cos/\tan x) 敏感,因为其求导之后三角函数的形式比较简洁。所以分部积分,我们尽量凑出

ln(...)dv\int \ln(...)\mathrm d v

这就是巧妙选择了 uu

vv

分部积分法还有很重要的一点是 dv\mathrm d v 的选取,尽量能够看出被积函数中长得像某个函数的导数的东西。


xlnx(x21)3dx\int \frac{x \ln x}{\sqrt{(x^2-1)^3}} \mathrm d x

需要发现 d((x21)12)\mathrm d(-(x^2-1)^{-\frac{1}{2}})……剩下的部分是倒置换。


一道比较相近的题:

lnx(1+x2)32dx\int \frac{\ln x}{(1+x^2)^\frac{3}{2}} \mathrm d x

但是此时看到分子没有带 xx,另寻别的换元的方法:

x=tantlntantdsintx=\tan t\\ \Rightarrow \int \ln \tan t\mathrm d \sin t


arctanxx(1+x)dx\int \frac{\arctan \sqrt{x}}{\sqrt{x}(1+x)}\mathrm d x

2arctanxdarctanx=(arctanx)2+C2\int \arctan \sqrt{x}\mathrm d \arctan \sqrt{x}=(\arctan \sqrt{x})^2+C


xtanx2+1x2+1dx\int \frac{x\tan\sqrt{x^2+1}}{\sqrt{x^2+1}}\mathrm d x


f(x)/f2(x)-f'(x)/f^2(x) 形式


1lnxx2dx\int\frac{1-\ln x}{x^2}\mathrm d x

这里需要使用代换 1x2dx=d(1x)\frac{1}{x^2}\mathrm d x=\mathrm d (-\frac{1}{x})

这里,我们可以尝试着发现一些类似于 f(x)/f2(x)-f'(x)/f^2(x)f(x)/f(x)f'(x)/f(x) 的部分,它们的原函数分别为 1/f(x)1/f(x)lnf(x)\ln|f(x)|


计算反常积分:

0+xex(1+ex)2dx\int_0^{+\infty} \frac{xe^{-x}}{(1+e^{-x})^2}\mathrm d x

观察到这个等于:

0+xd11+ex\int_0^{+\infty} x\mathrm d \frac{1}{1+e^{-x}}

于是使用分部积分即可。


xarctanxln(1+x2)dx\int x\arctan x\ln(1+x^2)\mathrm d x

我们联想到 arctanx,ln(1+x2)\arctan x,\ln(1+x^2) 求导之后都会产生一个 1+x21+x^2 的分母,于是凑出 d(1+x2)\mathrm d (1+x^2),简便计算。其实本质上 xx 是幂次好处理,于是凑出 1/2x21/2x^2 再凑常数。


xexsinxdx\int x e^x\sin x \mathrm d x

可以把 exsinxe^x\sin x 凑微分,也可以观察到是 P(x)sinxexP(x)\sin xe^x 的形式,待定系数法求解。

微分方程解出来是:

1
[(1/2x)cos(1x)+(1/2x-1/2)sin(1x)]e^1x

esinxsin2xsin4(π4x2)\int e^{-\sin x}\frac{\sin 2x}{\sin^4(\frac{\pi}{4}-\frac{x}{2})}

分母降次,


用分部积分处理一些子式不存在初等函数作为原函数的被积函数,通过相减抵消掉不能积分的部分。

(x1)exx2dx=exxdx+exd(1/x)=exxdx+exx1xexdx=exx+C\int \frac{(x-1)e^x}{x^2}\mathrm d x=\int \frac{e^x}{x} \mathrm d x+\int e^x\mathrm d (1/x)=\int \frac{e^x}{x} \mathrm d x+\frac{e^x}{x}-\int \frac{1}{x}e^x\mathrm d x=\frac{e^x}{x}+C

当然有神仙一眼看出原函数……


arctanxdx\int \arctan \sqrt{x} \mathrm d x

比较重要的是配凑常数,得到:

arctantd(t2+1)=(t2+1)arctantt+C\int \arctan t\mathrm d (t^2+1)=(t^2+1)\arctan t -t+C

是为了求导之后刚好能够凑出 11

建立递推关系


求:

x2+a2dx\int \sqrt{x^2+a^2}\mathrm d x

可以分部积分法,转化为处理:

x2x2+a2dx\int \frac{x^2}{\sqrt{x^2+a^2}} \mathrm d x

这个的基本处理手段是拆分分子为 x2+a2a2x^2+a^2-a^2


求:

secnxdx\int \sec^n x\mathrm d x

tannxdx\int \tan ^n x\mathrm d x


建立递推关系:

Γ(x)=0tx1etdt\Gamma(x)=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}\mathrm d t

Γ(x)=1/x0etdtx=Γ(x+1)/x\Gamma(x)=1/x\int_0^\infty e^{-t}\mathrm d t^x=\Gamma(x+1)/x

Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1)=x\Gamma(x)

是阶乘的推广。


建立递推关系:

an=01xlnnxdxa_n=\int_0^1 x\ln^n x\mathrm d x

an=1/201lnnxdx2=1/2x2lnx01n/201xlnn1xdx=n2an1a_n=1/2\int_0^1 \ln^n x\mathrm d x^2=1/2x^2\ln x|^1_0-n/2\int_0^1 x\ln^{n-1}x\mathrm d x=-\frac{n}{2}a_{n-1}


计算:

(1+x1x)ex+1xdx=xex+1x+C\int (1+x-\frac{1}{x})e^{x+\frac{1}{x}} \mathrm d x=xe^{x+\frac{1}{x}}+C


分部积分求解:

f(x)C[0,1]f(x)\in C'[0,1],而且 f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0,求证:

(01xf(x)dx)214501(f(x))2dx(\int_0^1 xf(x)\mathrm d x)^2 \le \frac{1}{45}\int_0^1(f'(x))^2\mathrm d x

等号当且仅当 f(x)=A(x3x)f(x)=A(x^3-x) 时成立,其中 AA 为常数。

我们需要用到柯西施瓦茨不等式,但是需要分离 f(x)f'(x) 出来,这就需要分部积分。

01xf(x)dx=01f(x)d(12x2+k)=01(12x2+k)f(x)dx\begin{aligned} \int_0^1 xf(x)\mathrm d x&=\int_0^1 f(x)\mathrm d (\frac{1}{2}x^2+k)\\ &=\int_0^1 (\frac{1}{2}x^2+k)f'(x)\mathrm d x \end{aligned}

这里用 kk 是为了凑系数。

然后:

(01(12x2+k)f(x)dx)201(12x2+k)2dx01(f(x))2dx(\int_0^1 (\frac{1}{2}x^2+k)f'(x)\mathrm d x)^2 \le \int_0^1 (\frac{1}{2}x^2+k)^2\mathrm d x\int_0^1(f'(x))^2\mathrm d x

而:

01(12x2+k)2dx=01(14x4+x2k+k2)dx=120x5+13x3k+xk201=k2+13k+120\int_0^1 (\frac{1}{2}x^2+k)^2\mathrm d x=\int_0^1 (\frac{1}{4}x^4+x^2k+k^2)\mathrm d x=\frac{1}{20}x^5+\frac{1}{3}x^3k+xk^2|^1_0=k^2+\frac{1}{3}k+\frac{1}{20}

极值就是 1/451/45,此时 k=16k=-\frac{1}{6}

柯西施瓦茨取等当且仅当 f(x)=λ(12x216)f'(x)=\lambda(\frac{1}{2}x^2-\frac{1}{6}),就可以得到 f(x)=A(x3x)+Cf(x)=A(x^3-x)+C,而 C=0C=0 ,因为 f(0)=0f(0)=0

欧拉换元法

ax2+bx+c=±(tax)=±(txc)=t(xα)=(xβ)t\sqrt{ax^2+bx+c}=\pm(t-\sqrt{a}x)=\pm(tx-\sqrt{c})=t(x-\alpha)=(x-\beta)t

其中 α,β\alpha,\beta 是两根。核心是写成 mx+nmx+n 的形式。同时让 xx 的表达式不太过复杂。s

有理函数积分

常规方法

1x2+px+qdx\int \frac{1}{x^2+px+q} \mathrm d x

凑成 duu2±a2\int \frac{\mathrm d u}{u^2\pm a^2}

xx2+px+qdx\int \frac{x}{x^2+px+q}\mathrm d x

凑分母导数:2x+p2x+p

x2x2+px+qdx\int \frac{x^2}{x^2+px+q}\mathrm d x

首先分子降次,转化为前两种情况。

技巧

有几种非常重要的方法:

  1. 待定系数法(最为常规)。
  2. 凑“假分式”,即对分子进行拆分。
  3. 倒置换,一般分母比较大。
  4. 换元 x±1xx\pm \frac{1}{x},一般出现在分子的最高次数是 22,分母的最高次数是 44 时,上下同除 x2x^2

求:

dxx(x10+1)\int \frac{\mathrm dx}{x(x^{10}+1)}

可以使用凑微分法,碰到 xx 在分母和次数特别高的其他项 xkrx^{kr},就要上下同乘 xr1x^{r-1}

可以使用凑假分式法,

1+x10x10x(x10+1)dx=lnx110ln(x10+1)+C\int \frac{1+x^{10}-x^{10}}{x(x^{10}+1)}\mathrm d x =\ln|x|-\frac{1}{10}\ln(x^{10}+1) +C


求:

1x8(1+x2)dx\int \frac{1}{x^8(1+x^2)}\mathrm d x

可以倒置换。

也可以拆项:

1x8+x8x8(1+x2)dx=(1x2+x4x6)/x8+11+x2dx\int \frac{1-x^8+x^8}{x^8(1+x^2)}\mathrm d x=\int (1-x^2+x^4-x^6)/x^8+\frac{1}{1+x^2}\mathrm d x


组合积分

求:

dxx4+1,x2x4+1dx\int \frac{\mathrm dx}{x^4+1},\int \frac{x^2}{x^4+1}\mathrm d x

构造一对积分:

12arctanx1x2+C\frac{1}{\sqrt{2}}\arctan \frac{x-\frac{1}{x}}{\sqrt{2}}+C

12122ln(x+1x)22(x+1x)22-\frac{1}{2}\frac{1}{2\sqrt{2}}\ln\left|\frac{(x+\frac{1}{x})^2-\sqrt{2}}{(x+\frac{1}{x})^2-\sqrt{2}}\right|

也可以配方法:

1(x2+2x+1)(x22x+1)dx\int \frac{1}{(x^2+\sqrt{2}x+1)(x^2-\sqrt{2}x+1)} \mathrm d x


另外,比较好求的是:

x1+x4dx=12arctan(x2)+C\int \frac{x}{1+x^4}\mathrm d x=\frac{1}{2}\arctan(x^2)+C

x31+x4dx=14dx41+x4=14ln(1+x4)+C\int \frac{x^3}{1+x^4}\mathrm d x=\frac{1}{4}\int \frac{\mathrm d x^4}{1+x^4}=\frac{1}{4}\ln(1+x^4)+C


1x+x3dx\int \frac{1}{\sqrt{x}+\sqrt[3]{x}} \mathrm d x

代换的时候,特别注意 x=x12,x3=x13\sqrt{x}=x^\frac{1}{2},\sqrt[3]{x}=x^\frac{1}{3},两者取“公因数” x16x^\frac{1}{6},于是应该这样换元……


1x4+x6dx\int\frac{1}{x^4+x^6}\mathrm d x

主要问题是如何分解,注意到分母分解为 x4(x2+1)x^4(x^2+1),然后乘一个 (x21)(x^2-1),就可以进行裂项……


1x6+1dx\int \frac{1}{x^6+1}\mathrm d x

拆分:

11x2+x4dx13dx3x6+1\int \frac{1}{1-x^2+x^4}\mathrm d x-\frac{1}{3}\int\frac{\mathrm d x^3}{x^6+1}

再处理左边的,拆分:

1+x21x2+x4dx,1x21x2+x4dx\int \frac{1+x^2}{1-x^2+x^4}\mathrm d x,\int \frac{1-x^2}{1-x^2+x^4}\mathrm d x


1+x41+x6dx\int \frac{1+x^4}{1+x^6}\mathrm d x

(1+x6)=(x2+1)(x4x2+1)(1+x^6)=(x^2+1)(x^4-x^2+1)。凑出来 x41+2x^4-1+2,就可以转化为上面的积分。

三角函数有理式

R(sinx)cosxdx/R(cosx)sinxdx\int R(\sin x)\cos x\mathrm d x/\int R(\cos x)\sin x \mathrm dx

第一类换元法

R(sin2x,sinxcosx,cos2x)dx\int R(\sin^2x,\sin x\cos x,\cos^2 x)\mathrm d x

tanx=u\tan x=u,则 du=sec2xdx\mathrm d u=\sec^2x\mathrm d x,将 dx=dusec2x\mathrm dx=\frac{\mathrm du}{\sec^2 x} 代回原式。然后全部转化为 secx,tanx\sec x,\tan x 的式子,最后运用 tan2x+1=sec2x\tan^2 x +1=\sec^2 x 即可。

  • sin2x=tan2xtan2x+1\sin^2 x=\frac{\tan^2x}{\tan^2x+1}
  • cos2x=11+tan2x\cos^2x=\frac{1}{1+\tan^2x}
  • sinxcosx=sin2xcos2x=tanx1+tan2x\sin x\cos x=\sqrt{\sin^2x\cos^2x}=\frac{\tan{x}}{1+\tan^2x}
  • dx=(1+tan2u)du\mathrm d x=(1+\tan^2u)\mathrm d u

求:

1(3sinx+2cosx)2dx\int \frac{1}{(3\sin x+2\cos x)^2}\mathrm d x

积化和差

降幂

无分数:降幂,有分数:凑 dtanx\mathrm d \tan x,奇数次幂:凑不同三角函数。优先统一角度。

sin4xcos2xdx\int \sin^4 x\cos ^2 x\mathrm d x

降幂的公式:

sinxcosx=12sin2xcos2x=12(cos2x+1)\sin x \cos x=\frac{1}{2}\sin 2x\\ \cos^2 x=\frac{1}{2}(\cos2x+1)


5(2x+sin2x)cos2xdx\int 5(2x+\sin 2x)\cos^2x\mathrm d x

基本方法:多次降幂即可。本质是化归的思想,P(x)sinxP(x)\sin x 我们会积,sinax,cosbx\sin ax,\cos bx我们也会积,就要转化为这样的形式。

凑微分方法:cos2x=1+cos2x2=(2x+sin2x)/4\cos^2x=\frac{1+\cos2x}{2}=(2x+\sin 2x)'/4

万能代换

t=tanx2t=\tan \frac{x}{2}

sinx=2t1+t2,cosx=1t21+t2,dx=2dt1+t2\sin x=\frac{2t}{1+t^2},\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2},\mathrm dx=\frac{2\mathrm d t}{1+t^2}

通常使用:分母三角函数幂次低。无法丢掉分母常数的时候只能用万能公式。

共轭组

px+qln(2sinx+cosx)+Cpx+q\ln(2\sin x+\cos x)+C

分母处理

  • /(sinx1)/(\sin x-1),上下同乘 sinx+1\sin x+1,然后进行拆分。
  • /(cosx+1)/(\cos x+1),转化为 2cos2x22\cos ^2\frac{x}{2}
  • /(sinx±cosx)/(\sin x \pm \cos x) 辅助角公式。

无理函数积分

一般思想是替换根号内的数,采用第二换元法。

例如:

x21x3dx\int x^2 \sqrt[3]{1-x}\mathrm d x

tanxdx\int \sqrt{\tan x }\mathrm d x

t=tanx,x=arctan(t2)t=\sqrt{\tan x},x=\arctan (t^2)

t11+t42tdt=2t21+t4dt\int t\frac{1}{1+t^4}2t\mathrm d t=2\int \frac{t^2}{1+t^4}\mathrm d t

01x(1x4)3dx\int_0^1 x\sqrt{(1-x^4)^3}\mathrm d x

换元 x2=sintx^2=\sin t,可以转化为

120π2cos3tcostdt\frac{1}{2}\int_0^\frac{\pi}{2} \cos^3t\cos t\mathrm d t

不能用初等函数表示出的积分

sinxx+Adx,cosxx+Bdx,e±x2dx,1lnxdx,esinx/cosxdx,sinx2dx\int \frac{\sin x}{x+A}\mathrm d x,\int \frac{\cos x}{x+B}\mathrm d x,\int e^{\pm x^2}\mathrm d x,\int \frac{1}{\ln x}\mathrm d x,\int e^{\sin x/\cos x}\mathrm d x,\int \sin x^2\mathrm d x

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