不定积分
对于任意一个由函数求导后得到的导函数,可以求出其原函数,原函数可以有无穷多个。假如 F 是 f 的一个原函数,那么 F+C 也是 f 的原函数, C 被称为积分常数, f 的任何两个原函数之间都相差一个常数。
连续函数必有原函数,如果一个函数在区间上存在间断点,则其在区间上必没有原函数。
原函数的全体被称作不定积分(Indefinite integral),它是微分的逆运算,记作:∫f(x)dx=F(x)+C
不定积分和微分满足以下关系:
dxd∫f(x)dx=f(x)d∫f(x)dx=f(x)dx∫F′(x)dx=F(x)+C∫dF(x)=F(x)+C
不定积分具有线性运算的性质:
∫(k1f1(x)+k2f2(x))dx=k1∫f1(x)dx+k2∫f2(x)dx
基本积分表
- ∫kdx=kx+C
指对幂形式:
- ∫xαdx=α+1xα+1+C
- ∫x1dx=ln∣x∣+C
- ∫exdx=ex+C
- ∫axdx=lnxax+C
- ∫lnxdx=xlnx−x+C
三角函数形式:
- ∫cosaxdx=a1sinax+C
- ∫sinaxdx=−a1cosax+C
- ∫sec2x=tanx+C
- ∫csc2xdx=−cotx+C
- ∫secxtanxdx=secx+C
- ∫cscxcotxdx=−cscx+C
反三角函数形式:
- ∫1−x2dx=arcsinx+C=−arccosx+C1
- ∫1+x2dx=arctanx+C=−arccotx+C1
复合形式:
- ∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C
- ∫cotxdx=ln∣sinx∣+C
- ∫secxdx=ln∣secx+tanx∣+C=21ln∣1−sinx1+sinx∣+C
- ∫cscxdx=ln∣cscx−cotx∣+C=ln∣tan2x∣+C
- ∫a2+x21dx=a1arctanax+C
- ∫x2−a21dx=2a1ln∣x+ax−a∣+C
- ∫a2−x21dx=arcsinax+C
- ∫x2+a21dx=ln∣x+x2+a2∣+C
- ∫x2−a21dx=ln∣x+x2−a2∣+C
- ∫a2−x2dx=2a2arcsinax+21xa2−x2+C
常见的原函数不是初等函数的情形:
- ∫eax2dx(a=0)
- ∫xsinxdx
- ∫xcosxdx
- ∫sinx2dx
- ∫cosx2dx
- ∫lnxxndx(n=−1)
- ∫x+alnxdx(a=0)
- ∫(sinx)ndx(n∈/Z)
- ∫x4+a1dx(a=0)
- ∫1+k(sinx)2dx(k=0,k=−1)
- ∫1+k(sinx)21dx(k=0,k=−1)
换元积分法
第一换元积分法:
我们由复合函数求导法则 (f(φ(t)))′=f′(φ(t))φ′(t) 可知:
∫f′(φ(t))φ′(t)=f(φ(t))+C
由此得到第一换元积分法的基本公式,这个不定积分也可以记作:
∫f(φ(t))φ′(t)dt=∫f(φ(t))dφ(t)
可以看出,由 φ′(t)dt 转化为 dφ(t) 是一个求原函数的过程,由 dφ(t) 转化为 φ′(t)dt 是一个求导的过程。
常数可以在积分号和微分号中随意移动,例如:
a∫f(x)dx=∫af(x)dx=∫f(x)dax
微分号后面随意加减常数不会对式子产生影响(因为常数项求导后消去):
∫f(x)dx=∫f(x)d(x±a)
常用的配元形式:
- ∫f(ax+b)dx=a1∫f(ax+b)d(ax+b)
万能凑幂法:
- ∫f(xn)xn−1dx=n1∫f(xn)dxn
- ∫f(xn)x1dx=n1∫f(xn)xn1dxn
含自然常数:
- ∫f(ex)exdx=∫f(ex)dex
- ∫f(lnx)x1dx=∫f(lnx)dlnx
含三角函数:
- ∫f(sinx)cosxdx=∫f(sinx)dsinx
- ∫f(cosx)sinxdx=−∫f(cosx)dcosx
- ∫f(tanx)sec2xdx=∫f(tanx)dtanx
第二换元积分法:
第二换元积分法将非复合函数积分转化为复合函数积分的形式,公式如下:
∫f(x)dx=∫f(φ(t))dφ(t)=∫f(φ(t))φ′(t)dt=F(t)+C
完成积分后将原变量进行回代,得到:
F(t)+C=F(φ−1(x))+C
常见类型:
- ∫f(x,nax+b)dx ,令 t=nax+b
- ∫f(x,ncx+dax+b)dx ,令 t=ncx+dax+b
- ∫f(x,a2−x2)dx ,令 x=asint 或 x=acost
- ∫f(x,a2+x2)dx ,令 x=atant 或 x=asht
- ∫f(x,x2−a2)dx ,令 x=asect 或 x=acht
- ∫f(ax)dx ,令 t=ax
分母中因子次数较高时,可以尝试倒代换。
分部积分法
我们由函数乘积求导法则 (uv)′=u′v+uv′ 可知:
∫u(x)v′(x)dx+∫u′(x)v(x)dx=u(x)v(x)
由此得到分部积分法的基本公式:
∫u(x)v′(x)dx=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x)dx
将 v′(x) 和 u′(x) 拿到微分号后面,也可以记作:
∫u(x)dv(x)=u(x)v(x)−∫v(x)du(x)
在分部积分时选取 u 和 v 的原则:v′ 的原函数容易求, ∫vdu 的形式比 ∫udv 更简单。
选取 v′ 的优先级顺序(从大到小):
- 指数函数
- 三角函数
- 幂函数
- 对数函数
- 反三角函数
循环积分:
以下演示了一个循环积分的经典例子:
∫excosxdx====∫cosxdexexcosx−∫exdcosxexcosx+∫sinxdexexcosx+exsinx−∫excosxdx2∫excosxdx=excosx+exsinx∫excosxdx=21ex(cosx+sinx)
当多次分部积分后出现重复的积分项时,就可以藉由重复项求出所要求积分的值。
有理函数积分
有理函数又被称作有理分式(Rational fraction),是指分子和分母都是多项式的分式,一般形式如下:
R(x)=Q(n)P(n)=β0xm+β1xm−1+⋯+βmα0xn+α1xn−1+⋯+αn
有理分式被分为真分式和假分式两种:
真分式:分母上多项式的最高次数大于分子上多项式的最高次数,即 m>n ;
假分式:分母上多项式的最高次数小于等于分子上多项式的最高次数,即 m≤n 。
所谓有理函数求积分,就是指将原来的假分式拆成真分式和多项式相加的形式,再将真分式拆成多个部分分式,以便于求解积分,有理函数的原函数都是初等函数。
多项式除法
多项式除法是代数中的一种算法,用一个同次或低次的多项式去除另一个多项式,是一个经常被用于因式分解的技巧,这里我们将它用于分解假分式。
多项式除法的基本思路:
- 把被除式,除式按某个字母作降幂排列,缺项补零。
- 将分子的第一项除以分母的最高次项,得到首商,写在横线之上。
- 将分母乘以首商,乘积写在分子前两项之下(同类项对齐)。
- 从分子的相应项中减去刚得到的乘积(消去相等项,把不相等的项结合起来),得到的余式写在下面。
- 重复以上步骤,直到最后只剩常数,得出结果。
例: 计算 x−3x3−12x2−42 。
x−3 x2−9x−27)x3−12x2+0x−42 x3− 3x2 −9x2+0x −9x2+27x−27x2−42−27x2+81 −123
综上所述:
x−3x3−12x2−42=x2−9x−27−x−3123
真分式分解
当分母上的多项式形如多个一次式和二次式相乘时,可以进行真分式分解:
Q(x)=(a1x−b1)λ1⋯(asx−bs)λs(m1x2+p1x+q1)u1⋯(mtx2+ptx+qt)ut
其中对于任意二次式,满足 Δ=pj2−4qj<0 ,这代表它是一个无法进行因式分解的二次式(如果可以因式分解,则需要分解后充当一次式)。
一次式分解:
对于形如 (ax+b)kP(x) 的 k 重一次式,可以采用如下分解方式:
当 k=1 时:
(a1x+b1)(a2x+b2)⋯(anx+bn)P(x)=a1x+b1A1+a2x+b2A2+⋯+anx+bnAn
当 k>1 时:
(ax+b)kP(x)=ax+bA1+(ax+b)2A2+⋯+(ax+b)kAk
二次式分解:
对于形如 (mx2+px+q)kP(x) 的 k 重二次式,可以采用如下分解方式:
当 k=1 时:
(m1x2+p1x+q1)⋯(mnx2+pnx+qn)P(x)=m1x2+p1x+q1A1x+B1++⋯+mnx2+pnx+qnAnx+Bn
当 k>1 时:
(mx2+px+q)kP(x)=mx2+px+qA1x+B1+(mx2+px+q)2A2x+B2+⋯+(mx2+px+q)kAkx+Bk
例: 求 ∫(x+2)(x+1)2x2+1dx
首先进行真分式分解:
(x+2)(x+1)2x2+1=x+2A+x+1B+(x+1)2C
将各分式通分后合并:
x+2A+x+1B+(x+1)2C=(x+2)(x+1)2A(x+1)2+B(x+1)(x+2)+C(x+2)
接下来求解待定系数,主要使用以下两种方法:
反解方程法:
将分子与原式的分子系数作比对, 写出关于待定系数的方程, 进行求解。
A(x+1)2+B(x+1)(x+2)+C(x+2)=(A+B)x2+(2A+3B+C)x+A+2B+2C(A+B)x2+(2A+3B+C)x+A+2B+2C=x2+1
⎩⎨⎧A+B=12A+3B+C=0A+2B+2C=1
⎩⎨⎧A=5B=−4C=2
实根代入法:
向原式中代入 x=−1 ,可以消掉 A,B 项,解得:
C=(−1)2+1=2
向原式中代入 x=−2 ,可以消掉 B,C 项,解得:
A(−1)2=(−2)2+1A=5
将 A,C 的值代回原式中,求出 B=−4 。
综上所述:
∫(x+2)(x+1)2x2+1dx=∫x+25dx−∫x+14dx+∫(x+1)22dx
部分分式积分
一次式积分:
∫x−aAdx=Aln∣x−a∣+C∫(x−a)kAdx=1−nA(x−a)1−n+C(n=1)
二次式积分:
对于 ∫(x2+px+q)kCx+Ddx (p2−4q<0) ,先将二次式进行配方:
x2+px+q==x2+2⋅2px+4p2−4p2+q(x+2p)2+q−4p2
令 t=x+2p,r2=q−4p2
然后对分母进行配凑:
Cx+D==C(x+2p)−C2p+DCt−2Cp+D
因此原式可以换元成:
∫(x2+px+q)kCx+Ddx==∫(t2+r2)kCt−2Cp+DdxC∫(t2+r2)ktdt+(D−2Cp)∫(t2+r2)kdt
当 k=1 时:
∫t2+r2tdt=21∫t2+r2d(t2+r2)=21ln(t2+r2)+C
∫t2+r2dt=r1∫(rt)2+11d(rt)=r1arctanrt+C
当 k>1 时:
∫(t2+r2)ktdt=21∫(t2+r2)kd(t2+r2)=211−k1(t2+r2)1−k+C
Ik=∫(t2+r2)kdt====r21∫(t2+r2)kt2+r2−t2dtr21∫(t2+r2)k−1dt−r21∫(t2+r2)kt2dtr21Ik−1−1−k121∫td(t2+r2)1−kr21Ik−1−2r2(k−1)1[(t2+r2)k−1t−Ik−1]
有理代换
对于一些非有理函数积分,我们也可以将其转换为有理函数求解,常见的有三角代换和根式代换。
三角代换:
设 R(sinx,cosx) 表示三角函数有理式,要求 ∫R(sinx,cosx)dx ,则令 t=tan2x ,将原积分转换为 t 的有理函数的积分,这种换元方法被称为万能代换。
sinx=sin22x+cos22x2sin2xcos2x=1+tan22x2tan2x=1+t22t
cosx=sin22x+cos22xcos22x−sin22x=1+tan22x1−tan22x=1+t21−t2
但在某些情况下,可以选择更方便的变量进行代换,例如以下三种情况:
- 若被积函数是关于 sinx 的奇函数,即 R(−sinx,cosx)=−R(sinx,cosx) ,可令 t=cosx 。
- 若被积函数是关于 cosx 的奇函数,即 R(sinx,−cosx)=−R(sinx,cosx) ,可令 t=sinx 。
- 若被积函数同时是关于 sinx 和 cosx 的偶函数,即 R(−sinx,−cosx)=R(sinx,cosx) ,可令 t=tanx 。
根式代换:
被积函数为简单根式的有理式,可通过根式代换转换为有理函数的积分:
- ∫R(x,nax+b)dx ,令 t=nax+b
- ∫R(x,ncx+dax+b)dx ,令 t=ncx+dax+b
- ∫R(x,nax+b,max+b)dx ,令 t=pax+b , p 为 m,n 的最小公倍数。
定积分
在很多数学和物理问题中,经常需要求解一种特殊和式的极限:
∣∣T∣∣→0limi=1∑nf(ξi)Δxi
这就引出了定积分(Definite integral) 的概念。
用微元法求函数图像与坐标轴之间围成的图形的面积:
1. 分割
在区间 [a,b] 中任意插入 n−1 个分点:
a=x0<x1<x2<⋯<xn−1<xn=b
Δi=[xi,xi],Δxi=xi−xi−1,i=1,2,3,⋯,n
用直线 x=xi 将曲边梯形分成 n 个小曲边梯形。
这个分割记作 T={x0,x1,⋯,xn} 或 T={Δ0,⋯,Δn} 。
2. 近似
把小曲边梯形 Ai 近似看作矩形,即任取 ξ∈[xi−1,xi] ,在 [xi−1,xi] 上把 f(x) 近似看作常数 f(ξi) ,此时 Ai 的面积 Si 约为 f(ξi)Δxi ,所以:
S(A)=i=1∑nSi≈i=1∑nf(ξi)Δxi
上述和式 ∑i=1nf(ξi)Δxi 称为积分和或黎曼和。
3. 逼近
近似得出的黎曼和和曲边梯形的面积 S 总有差别,当分割越来越细时,黎曼和与 S 的差距就会越来越小。
分割 T 的细度(模):
∣∣T∣∣=max{Δxi∣i=1,2,⋯,n}
则当 ∣∣T∣∣→0 时,就能保证分割越来越细。
对于给定的 ε>0 ,能够找到 δ>0 ,使得当
∣∣T∣∣<δ 时,对任意 ξi∈[xi−1,xi] ,都有:
∣i=1∑nf(ξi)Δxi−S∣<ε
定积分的定义:
设 f 是定义在 [a,b] 上的函数, J∈R ,
若 ∀ε>0 , ∃δ>0 ,对任意分割
T:a=x0<x1<⋯<xn−1<xn=b
及任意 ξi∈[xi−1,xi],i=1,2,⋯,n ,
当 ∣∣T∣∣=maxΔxi<δ 时,必有
∣i=1∑nf(ξi)Δxi−J∣<ε
则称 f 在 [a,b] 上可积,并称 J 为 f 在 [a,b] 上的定积分,记作:
J=∫abf(x)dx=∣∣T∣∣→0limi=1∑nf(ξi)Δxi
[a,b] 是积分区间, b 称为积分上限, a 称为积分下限, f(x)dx 称为被积表达式。
定积分的值仅与被积函数和积分区间有关,而与积分量无关。
定积分的估值
设 f(x)∈C[a,b] ,则 ∫abf(x)dx 存在,根据定积分定义可得如下近似计算方法:
将 [a,b] 分成 n 等份, Δx=nb−a , xi=a+i⋅Δx (i=0,1,⋯,n)
记 f(xi)=yi ,有以下三种定积分估值方法:
左矩形公式:
∫abf(x)dx≈=y0Δx+y1Δx+⋯+yn−1Δxnb−a(y0+y1+⋯+yn−1)
右矩形公式:
∫abf(x)dx≈=y1Δx+y2Δx+⋯+ynΔxnb−a(y1+y2+⋯+yn)
梯形公式:
∫abf(x)dx≈=i=1∑n−121[yi−1+yi]Δxnb−a[21(y0+yn)+(y1+⋯+yn−1)]
沃利斯公式(Wallis formula):
2π=n→∞lim[(2n−1)!!(2n)!!]22n+11
其中 n!! 为双阶乘,表示不超过这个正整数且与它有相同奇偶性的所有正整数乘积。
沃里斯公式通常用来简化定积分计算:
∫02πsinnx=∫02πcosnx=⎩⎨⎧n!!(n−1)!!⋅2πn!!(n−1)!!,n为偶数,n为奇数
定积分的性质
(以下所列定积分均存在)
- 上下限可换: ∫abf(x)dx=−∫baf(x)dx∫aaf(x)dx=0
- 常值函数积分: ∫abkdx=k(b−a)
- 常数可分离到积分号外部: ∫abkf(x)dx=k∫abf(x)dx
- 线性运算: ∫ab[f(x)±g(x)]dx=∫abf(x)dx±∫abg(x)dx
藉由定积分的极限定义可以证明线性运算性质:
左端==∣∣T∣∣→0limi=1∑n[f(ξi)±g(ξi)]Δxi∣∣T∣∣→0limi=1∑nf(ξi)Δxi±∣∣T∣∣→0limi=1∑ng(ξi)Δxi=右端
- 函数 f,g 在区间上可积,其乘积 f⋅g 在该区间上依旧可积。
- 积分区间的可加性: f 在 [a,b] 上可积的充要条件是 ∀c∈(a,b) , f 在 [a,c] 和 [c,b] 上都可积,此时有:
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
- 积分的保号性:若在 [a,b] 上 f(x)≥0 ,则 ∫abf(x)dx≥0 。
证明:
由可得i=1∑ng(ξi)Δxi≥0∫abf(x)dx=∣∣T∣∣→0limi=1∑ng(ξi)Δxi≥0
- 推论:若在 [a,b] 上 f(x)≤g(x) ,则 ∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx
- 绝对值定理: ∣∫abf(x)dx∣≤∫ab∣f(x)∣dx(a<b)
证明:
由可得即−∣f(x)∣≤f(x)≤∣f(x)∣−∫ab∣f(x)∣dx≤∫abf(x)dx≤∫ab∣f(x)∣dx∣∫abf(x)dx∣≤∫ab∣f(x)∣dx
- 估值定理:设 M=[a,b]maxf(x),m=[a,b]minf(x) ,则
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a)(a<b)
证明:由连续函数最值定理可以得到 f(x) 必存在最大值 M 和最小值 m ,即 ∃x∈[a,b] ,使得 m≤f(x)≤M ,所以:
∫abmdx≤∫abf(x)dx≤∫abMdxm(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a)
积分第一中值定理
若 f(x)∈C[a,b] ,则存在至少一点 ξ∈[a,b] ,使
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
证明:
设 f(x) 在 [a,b] 上的最小值和最大值分别是 m 和 M ,则由估值定理可得:
m≤a−b1∫abf(x)dx≤M
根据闭区间上连续函数介值定理,在 [a,b] 上至少存在一点 ξ∈[a,b] ,使得
f(ξ)=a−b1∫abf(x)dx
因此
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)
其中 f(ξ) 可以理解为 f(x) 在 [a,b] 上所有函数值的平均值,称作积分均值,这是有限个数的算术平均数的推广。
推论: 若 f,g 在 [a,b] 上连续,且 g(x) 在 [a,b] 上不变号,则 ∃ξ∈[a,b] ,使
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx
证明:令
F(x)=∫axf(t)g(t)dtG(x)=∫axg(t)dt
这两个函数均在 [a,b] 上可导,且 g(x)=0,即 F′(x) 和 G′(x) 不同时为零,并且
G(x)=0=G(a)
由柯西中值定理可得:
G′(ξ)F′(ξ)=G(b)−G(a)F(b)−F(a)=G(b)F(b)
又因为
G′(ξ)F′(ξ)=g(ξ)f(ξ)g(ξ)=f(ξ)
可得
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx
可积条件
定义: 设 f 在 [a,b] 上有界,对任意分割
T:a=x0<x1<⋯<xn=b
称 S(T)=∑i=1nMiΔxi 为 f 关于分割 T 的达布上和,其中
Mi=sup{f(x)∣x∈[xi−1,xi]}, i=1,2,⋯,n
称 s(T)=∑i=1nmiΔxi 为 f 关于分割 T 的达布下和,其中
mi=inf{f(x)∣x∈[xi−1,xi]}, i=1,2,⋯,n
称 ωi=Mi−mi (i=1,2,⋯,n) 为 f 在 [xi−1,xi] 上的振幅。
振幅反映了函数在区间内的变化范围,是一个与连续性相关联的概念。
可积准则: 函数 f 在 [a,b] 上可积的充要条件是:∀ε>0,∃ 分割 T,使
S(T)−s(T)=i=1∑n(Mi−mi)Δxi=i=1∑nωiΔxi<ε
下面介绍了可积准则的三个应用情形,分别可以推出一条定积分存在定理。
情形一: 每个 ωi<b−aε,从而
i=1∑nωiΔxi<b−aεi=1∑nΔxi=ε
情形二: 若 ∑i=1nωi 有界,即 ∃M,对任意分割 T,∑i=1nωi≤M,则当 ∣∣T∣∣<Mε 时,
i=1∑nωiΔxi≤∣∣T∣∣i=1∑nωi<MεM=ε
情形三: 若 ∑ωiΔxi=∑ωi′Δxi′+∑ωi′′Δxi′′,
在 ∑ωi′Δxi′ 中,
ωi′<2(b−a)ε
而在 ∑ωi′′Δxi′′ 中,
∑Δxi′′<2(M−m)ε
其中 M−m 是 f 在 [a,b] 上的振幅,从而
ωi≤M−m,i=1,2,⋯,n
于是
∑ωiΔxi=∑ωi′Δxi′+∑ωi′′Δxi′′<2(b−a)ε(b−a)+2(M−m)ε(M−m)=ε
定积分存在定理:
- 函数在闭区间内连续。
- 函数在闭区间上单调。
- 函数在闭区间内有界,且只有有限个间断点。
微积分学基本定理
变限积分
设 f(x) 在 [a,b] 上连续,并且设 x 为 [a,b] 上的一点,有这样的一个定积分: ∫axf(t)dt 。
如果上限 x 在区间上任意变动,则对于每一个给定的 x 值,都有一个对应得定积分值,这些值在区间上定义了一个函数,称为积分上限函数:
Φ(x)=∫axf(t)dt
若 f(x)∈C[a,b] ,则积分上限函数是 f(x) 在 [a,b] 上的一个原函数。
证明:∀x,x+h∈[a,b] ,则有
hΦ(x+h)−Φ(x)==h1[∫ax+hf(t)dt−∫axf(t)dt]h1∫xx+hf(t)dt=f(ξ)(x<ξ<x+h)
由于 f(x)∈C[a,b]
Φ′(x)=h→0limhΦ(x+h)−Φ(x)=h→0limf(ξ)=f(x)
该定理为通过原函数计算定积分开辟了道路。
变限积分求导:
- dxd∫axf(t)dt=f(x)
- dxd∫xbf(t)dt=−f(x)
- dxd∫aφ(x)f(t)dt=f[φ(x)]φ′(x)
- dxd∫ψ(x)φ(x)f(t)dt=dxd[∫ψ(x)af(t)dt+∫aφ(x)f(t)dt]=f[φ(x)]φ′(x)−f[ψ(x)]ψ′(x)
变限积分求导时,被积函数中若含有 x ,要先将其从积分号中分离出来,再求导。
牛顿-莱布尼茨公式
设 f(x)∈C[a,b] ,且 F(x) 是 f(x) 的原函数。
对于 [a,b] 的任一分割 T={a=x0,x1,⋯,xn=b} ,在每个小区间 [xi−1,xi] 上对 F(x) 使用拉格朗日中值定理,则分别存在 ηi∈(xi−1,xi),i=1,2,⋯,n ,使得
F(b)−F(a)===i=1∑n[F(xi)−F(xi−1)]i=1∑nF′(ηi)Δxii=1∑nf(ηi)Δxi
因为 f(x)∈C[a,b] ,从而 f(x) 在 [a,b] 上一致连续,
所以 ∀ε>0,∃δ>0 ,当 x′,x′′∈[a,b] 且 ∣x′−x′′∣<δ 时,有
∣f(x′)−f(x′′)∣<b−aε
于是,当 Δxi≤∣∣T∣∣<δ 时,任取 ξi∈[xi−1,xi] ,有 ∣ξi−ηi∣<δ ,可证得:
=≤<i=1∑nf(ξi)Δxi−[F(b)−F(a)]i=1∑n[f(ξi)−f(ηi)]Δxii=1∑n∣f(ξi)−f(ηi)∣Δxib−aε⋅i=1∑nΔxi=ε
综上所述,当 F(x) 是连续函数 f(x) 在 [a,b] 上的一个原函数时,有以下公式成立:
∫abf(x)dx=F(x)∣ab=F(b)−F(a)
这便是牛顿-莱布尼茨公式(Newton-Leibniz formula) 的完整形式。
定积分换元积分法
若 f(x)∈C[a,b] ,单值函数 x=φ(t) ,满足:
- φ(t)∈C1[α,β] 且单调
- 在 [α,β] 上 a≤φ(t)≤b,φ(α)=a,φ(β)=b
则
∫abf(x)dx=∫αβf[φ(t)]φ′(t)dt
证明:
设 F(x) 是 f(x) 的一个原函数,则 F[φ(t)] 是 f[φ(t)]φ′(t)dt 的原函数,因此
∫abf(x)dx==F(b)−F(a)=F[φ(β)]−F[φ(α)]∫αβf[φ(t)]φ′(t)dt
当区间换为 [β,α] 时,定理仍成立。
换元必换限,原函数中的变量不必代回。
令 x=φ(t) ,换元公式反过来使用依然成立。
偶倍奇零:
设 f(x)∈C[−a,a]
- 若 f(x) 是偶函数,则 ∫−aaf(x)dx=2∫0af(x)dx
- 若 f(x) 是奇函数,则 ∫−aaf(x)dx=0
周期函数积分:
设 f(x)∈C(R) ,且有一周期为 T ,则 ∀a∈R ,有
∫aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx
定积分分部积分法
设 u(x),v(x)∈C1[a,b] ,则
∫abu(x)v′(x)dx=u(x)v(x)ab−∫abu′(x)v(x)dx
证明:
由
[u(x)v(x)]′=u′(x)v(x)+u(x)v′(x)
两边积分得:
u(x)v(x)ab=∫abu′(x)v(x)dx+∫abu(x)v′(x)dx
所以可以移项得:
∫abu(x)v′(x)dx=u(x)v(x)ab−∫abu′(x)v(x)dx
分部积分公式的推广:
若在 [a,b] 上 u(x),v(x) 有 n+1 阶连续导函数,则有
∫abu(x)v(n+1)(x)dx=[u(x)v(n)(x)−u′(x)v(n−1)(x)+⋯+(−1)nu(n)(x)v(x)]ab+(−1)n+1∫abu(n+1)(x)v(x)dx(n=1,2,⋯)
泰勒公式的积分型与柯西型余项
设函数 f 在点 x0 的某邻域 U(x0) 上有 n+1 阶连续导函数。
令 x∈U(x0),u(t)=(x−t)n,v(t)=f(t),t∈[x0,x],利用分布积分的推广公式可得:
∫x0x(x−t)nfn+1(t)dt=[(x−t)nf(n)(t)+n(x−t)n−1f(n−1)(t)+⋯+n!f(t)]x0x+∫x0x0⋅f(t)dt=n!f(x)−n![f(x0)+f′(x0)(x−x0)+⋯+n!f(n)(x0)(x−x0)n]
可以看到,这与泰勒公式的形式是类似的,由此推断出泰勒公式的 n 阶余项可以表示为
Rn(x)=n!1∫x0xf(n+1)(t)(x−t)ndt
这就是泰勒公式的积分型余项。
由于 f(n+1)(t) 连续,并且 (x−t)n 在 [x0,x] 上同号,由积分第一中值定理的推论可得:
Rn(x)=n!1f(n+1)(ξ)∫x0x(x−t)ndt=(n+1)!1f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1
这就转化为了我们熟悉的拉格朗日型余项。
将积分第一中值定理直接应用于上式,可得:
Rn(x)=n!1f(n+1)(ξ)(x−ξ)n(x−x0)
令 ξ=x0+θ(x−x0), 0≤θ≤1,则
(x−ξ)n(x−x0)=[x−x0−θ(x−x0)]n(x−x0)=(1−θ)n(x−x0)n+1
最终可将 Rn(x) 改写为:
Rn(x)=n!1f(n+1)(x0+θ(x−x0))(1−θ)n(x−x0)n+1,0≤θ≤1
特别地,当 x0=0 时,又有
Rn(x)=n!1f(n+1)(θx)(1−θ)nxn+1,0≤θ≤1
以上两个公式称作泰勒公式的柯西型余项。
定积分的应用
求平面图形的面积
直角坐标方程表示的平面图形:
在平面直角坐标系中有两个 y=f(x) 型连续函数的图像,垂直于x轴作两条直线,围成的面积叫作x型区域:
A={(x,y)∣f1(x)≤y≤f2(x),x∈[a,b]}
该区域面积的计算公式为:
S(A)=∫ab(f2(x)+M)dx−∫ab(f1(x)+M)dx=∫ab[f2(x)−f1(x)]dx
在平面直角坐标系中有两个 x=g(y) 型连续函数的图像,垂直于y轴作两条直线,围成的面积叫作y型区域:
B={(x,y)∣g1(y)≤x≤g2(y),y∈[c,d]}
该区域面积的计算公式为:
S(B)=∫cd[g2(y)−g1(y)]dy
若围成区域的边缘皆垂直于坐标轴或皆不垂直于坐标轴,则该区域既是x型区域也是y型区域,这时候从x型区域求法和y型区域求法挑选一个好用的方法求面积。
参数方程表示的平面图形:
设曲线由参数方程表示:
{x=x(t)y=y(t),t∈[α,β]
其中 y(t) 连续,x(t) 连续可微。
该曲线所围成的区域面积计算公式为:
S(A)=∫αβ∣y(t)x′(t)∣dt
极坐标表示的平面图形的面积:
设曲线 C 的极坐标方程为 r=r(θ),θ∈[α,β]。图形 A 由曲线 C 和两条射线 θ=α 与 θ=β 围成。
该区域的面积计算公式为:
S(A)=21∫αβr2(θ)dθ
由横截面求体积
求不规则体体积:
Ω 为三维空间中一立体,它夹在垂直于 x 轴的两平面 x=a,x=b (a<b) 之间。
∀x∈[a,b],作垂直于 x 轴的另一平面,将其截 Ω 得到的截面面积可以写成函数 A(x),若 A(x) 在 [a,b] 上连续,则
V(Ω)=∫abA(x)dx
例:求椭球体 a2x2+b2y2+c2z2=1 的体积。
以 x 为自变量,将原式进行变形:
b2y2+c2z2b2(1−a2x2)y2+c2(1−a2x2)z2=1−a2x2=1
该式即为平面椭圆的标准表达式,由椭圆的面积公式 S=π⋅a⋅b 可得:
A(x)=π⋅b2(1−a2x2)⋅c2(1−a2x2)=π⋅b⋅c⋅(1−a2x2)
对该函数进行积分即可得到椭球体的体积:
V=∫−aaπbc(1−a2x2)dx=πbc(x−3a2x3)−aa=34πabc
求旋转体体积:
设 f 是 [a,b] 上的连续函数,Ω 是由平面图形
A={(x,y)∣0≤∣y∣≤∣f(x)∣,a≤x≤b}
绕 x 轴旋转一周所得的旋转体,则
A(x)=πf2(x),x∈[a,b]
V=π∫abf2(x)dx
如果所求旋转体是空心的圆环,则需要分别写出上半圆和下半圆的函数表达式 f1,f2,并且 A(x)=πf12(x)−πf22(x).
类似地,可得绕 y 轴旋转一周所得的旋转体体积为
V=∫ab2πxf(x)dx
平面曲线的弧长
设平面曲线 C 由以下参数方程表示:
x=x(t),y=y(t),t∈[α,β]
如果 x(t) 和 y(t) 在 [α,β] 上连续可微,且 x′(t) 与 y′(t) 不同时为零,则称 C 是一条光滑曲线。
对于光滑曲线 C,它的弧长是可求的,并且借助弧微分的概念,我们可以得到以下公式:
s=∫αβ[x′(t)]2+[y′(t)]2dt
若曲线 C 由极坐标方程 r=r(θ),θ∈[α,β] 表示,则 C 可看作:
x=r(θ)cosθ,y=r(θ)sinθ
同理可得弧长公式:
s=∫αβ[r(θ)]2+[r′(θ)]2dθ
反常积分
定积分的积分区间都是有限的,并且被积函数都是有限的。但在实际应用和理论研究中,还会遇到一些在无限区间上定义的函数或有限区间上的无界函数,对它们也需要考虑类似于定积分的问题。因此,有必要对定积分的概念加以推广,使之能适用于上述两类函数。这种推广的积分,就称作广义积分或反常积分(Improper integral)。
无穷积分
设函数 f 定义在 [a,+∞) 上,且在任何有限区间 [a,u] 上可积,若存在极限
u→+∞lim∫auf(x)dx=J
则称此极限 J 为函数 f 在 [a,+∞) 上的无穷限反常积分,简称无穷积分,记作:
J=∫a+∞f(x)dx
并称 ∫a+∞f(x)dx 收敛;反之,若该极限不存在,则称 ∫a+∞f(x)dx 发散。
类似的,我们也可以写出如下定义:
∫−∞bf(x)dx=u→−∞lim∫ubf(x)dx
∫−∞+∞f(x)dx=∫−∞af(x)dx+∫a+∞f(x)dx
只有当 ∫−∞af(x)dx 和 ∫a+∞f(x)dx 同时收敛时,∫−∞+∞f(x)dx 才收敛。
无穷积分的牛顿-莱布尼茨公式:
∫a+∞f(x)dx=F(x)a+∞=F(+∞)−F(a)=u→+∞limF(u)−F(a)
无穷积分的性质:
性质1: 两个相同限的无穷积分可以线性组合:若 ∫a+∞f1(x)dx 与 ∫a+∞f2(x)dx 都收敛,k1,k2 为任意常数,则
∫a+∞(k1f1(x)+k2f2(x))dx
也收敛,并且
∫a+∞(k1f1(x)+k2f2(x))dx=k1∫a+∞f1(x)dx+k2∫a+∞f2(x)dx
性质2: 对于同一可积函数在不同限上的无穷积分:∫a+∞f(x)dx 和 ∫b+∞f(x)dx,同时收敛或同时发散,并且
∫a+∞f(x)dx=∫abf(x)dx+∫b+∞f(x)dx
性质3: 设对于任何 b>a,f(x) 在 [a,b] 上可积,若无穷积分 ∫a+∞∣f(x)∣dx 收敛,则称无穷积分 ∫a+∞f(x)dx 为绝对收敛;若 ∫a+∞f(x)dx 收敛,而 ∫a+∞∣f(x)∣dx 发散,则称 ∫a+∞f(x)dx 为条件收敛。
若 ∫a+∞f(x)dx 绝对收敛,则此无穷积分收敛。
∫a+∞f(x)dx≤∫a+∞∣f(x)∣dx
瑕积分
设函数 f 定义在 (a,b] 上,在 a 的任意右邻域内无界,但在任何闭区间 [u,b] 上有界且可积,若存在极限
u→a+lim∫ubf(x)dx=J
则称此极限 J 为函数 f 在 (a,b] 上的无界函数反常积分,简称瑕积分,记作:
J=∫abf(x)dx
并称 ∫abf(x)dx 收敛;反之,若该极限不存在,则称 ∫abf(x)dx 发散。
a 被称作是该瑕积分的瑕点(Flaw),所谓瑕点,可以理解为使积分变得不完美的点。
类似的,我们也可以写出 b 为瑕点时的瑕积分定义:
∫abf(x)dx=u→b−lim∫auf(x)dx
若 f 的瑕点 c∈(a,b),定义
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx=u→c−lim∫auf(x)dx+v→c+lim∫vbf(x)dx
只有当 ∫acf(x)dx 和 ∫cbf(x)dx 同时收敛时,∫abf(x)dx 才收敛。
瑕积分的牛顿-莱布尼茨公式:
以 a 为瑕点:
∫abf(x)dx=F(x)a+b=F(b)−F(a+)=F(b)−u→a+limF(u)
瑕积分的性质:
性质1: 两个相同瑕点的瑕积分可以线性组合:若 ∫abf1(x)dx 与 ∫abf2(x)dx 的瑕点相同,k1,k2 为任意常数,则
∫ab(k1f1(x)+k2f2(x))dx
也收敛,并且
∫ab(k1f1(x)+k2f2(x))dx=k1∫abf1(x)dx+k2∫abf2(x)dx
性质2: 对于同一可积函数相同瑕点在不同限上的瑕积分:设函数 f 的瑕点为 x=a,若 c∈(a,b),则 ∫abf(x)dx 和 ∫acf(x)dx,同时收敛或同时发散,并且
∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx
性质3: 设函数 f 的瑕点为 x=a,f 在 (a,b] 的任一闭区间 [u,b] (u>a) 上可积,若瑕积分 ∫ab∣f(x)∣dx 收敛,则称瑕积分 ∫abf(x)dx 为绝对收敛;若 ∫abf(x)dx 收敛,而 ∫ab∣f(x)∣dx 发散,则称 ∫abf(x)dx 为条件收敛。
若 ∫abf(x)dx 绝对收敛,则此瑕积分收敛。
∫abf(x)dx≤∫ab∣f(x)∣dx
正项无穷积分的收敛判别法
定义判别法:
设定义在 [a,+∞) 上的非负函数 f 在任何有限区间 [a,u] 上可积,则 ∫a+∞f(x)dx 可积的充要条件是:∃M>0,使
∀u∈[a,+∞), ∣∫auf(x)dx∣≤M
比较判别法:
设定义在 [a,+∞) 上的两个非负函数 f,g 在任何有限区间 [a,u] 上可积,且存在 G>0,满足
f(x)≤g(x), x∈[G,+∞)
- 当 ∫a+∞g(x)dx 收敛时,∫a+∞f(x)dx 也收敛。
- 当 ∫a+∞f(x)dx 发散时,∫a+∞g(x)dx 也发散。
比较判别法的极限形式:
设 f(x),g(x) 在 [a,+∞)(a>0) 上非负连续,g(x)>0,并且
x→+∞limg(x)f(x)=l
- 若 0<l<+∞,∫a+∞g(x)dx 和 ∫a+∞f(x)dx 收敛性相同。
- 若 l=0,当 ∫a+∞g(x)dx 收敛时,∫a+∞f(x)dx 也收敛。
- 若 l=+∞,当 ∫a+∞g(x)dx 发散时,∫a+∞f(x)dx 也发散。
在使用无穷积分的比较判别法时,常用 f(x)=xp1 (p>0) 作为比较大小的基准函数,它的无穷积分 ∫1+∞xp1dx 的收敛性很容易可以证得:
当 p=1 时,
∫1+∞xdx=1→+∞lim∫1bxdx=1→+∞limlnb=+∞
故该无穷积分发散。
当 p=1 时,
∫1+∞xpdx=1−px1−p1+∞=⎩⎨⎧+∞, p−11, p<1p>1
综上所述,当 p≤1 时,该无穷积分发散;当 p>1,该无穷积分收敛。
由基准函数得到的推论:设 f(x) 在 [a,+∞)(a>0) 上非负连续,且
x→+∞limxpf(x)=l
- 当 0≤l<+∞ 且 p>1 时,∫a+∞f(x)dx 收敛。
- 当 0<l≤+∞ 且 p≤1 时,∫a+∞f(x)dx 发散。
正项瑕积分的收敛判别法
比较判别法:
设 f(x),g(x)∈C[a,b),b 是它们的瑕点,并且满足
0≤f(x)≤g(x), x∈[c,b)⊂[a,b)
- 当 ∫abg(x)dx 收敛时,∫abf(x)dx 也收敛。
- 当 ∫abf(x)dx 发散时,∫abg(x)dx 也发散。
比较判别法的极限形式:
设 f(x),g(x) 在 [a,b)(a>0) 上非负连续,b 是它们的瑕点,g(x)>0,并且
x→b−limg(x)f(x)=l
- 若 0<l<+∞,∫abg(x)dx 和 ∫abf(x)dx 收敛性相同。
- 若 l=0,当 ∫abg(x)dx 收敛时,∫abf(x)dx 也收敛。
- 若 l=+∞,当 ∫abg(x)dx 发散时,∫abf(x)dx 也发散。
在使用瑕积分的比较判别法时,常用 f(x)=(b−x)p1 或 f(x)=(x−a)p1 (a<b,p>0) 作为比较大小的基准函数。瑕积分 ∫ab(b−x)pdx 的收敛性很容易可以证得:
令 x=b 为瑕点,
当 p=1 时,
∫abb−xdx=−ln(b−x)ab=+∞
故该瑕积分发散。
当 p=1 时,
∫ab(b−x)pdx=−1−p1(b−x)1−pab=⎩⎨⎧1−p1(b−a)1−p, +∞, p<1p>1
综上所述,积分 ∫ab(b−x)pdx 当 0<p<1 时收敛,当 p≥1 时发散。
同理可得,积分 ∫ab(x−a)pdx 当 0<p<1 时收敛,当 p≥1 时发散。
由基准函数得到的推论:
若 a 是瑕点,取 g(x)=(x−a)p1,并且
x→a+lim(x−a)pf(x)=l
若 b 是瑕点,取 g(x)=(b−x)p1,并且
x→b−lim(b−x)pf(x)=l
- 当 0≤l<+∞ 且 0<p<1 时,∫abf(x)dx 收敛。
- 当 0<l≤+∞ 且 p≥1 时,∫abf(x)dx 发散。