同济大学(高等数学)_第四章_不定积分

.第四章 不定积分前面讨论了一元函数微分学，从本章开始我们将讨论高等数学中的第二个核心内容：一元函数积分学本章主要介绍不定积分的概念与性质以及基本的积分方法第1节 不定积分的概念与性质1.1 不定积分的概念 在微分学中，我们讨论了求一个已知函数的导数（或微分）的问题，例如，变速直线运动中已知位移函数为，则质点在时刻的瞬时速度表示为实际上，在运动学中常常遇到相反的问题，即已知变速直线运动的质点在时刻的瞬时速度，求出质点的位移函数即已知函数的导数，求原来的函数这种问题在自然科学和工程技术问题中普遍存在为了便于研究，我们引入以下概念1.1.1原函数 定义1 如果在区间上，可导函数的导函数为，即对任一，都有 或 ，那么函数就称为在区间I上的原函数例如，在变速直线运动中，所以位移函数是速度函数的原函数；再如，所以是在上的一个原函数所以是在的一个原函数一个函数具备什么样的条件，就一定存在原函数呢？这里我们给出一个充分条件定理1 如果函数在区间上连续，那么在区间上一定存在可导函数，使对任一都有简言之，连续函数一定有原函数由于初等函数在其定义区间上都是连续函数，所以初等函数在其定义区间上都有原函数定理1的证明，将在后面章节给出.关于原函数，不难得到下面的结论：若，则对于任意常数，都是的原函数也就是说，一个函数如果存在原函数，则有无穷多个假设和都是的原函数，则，必有,即一个函数的任意两个原函数之间相差一个常数因此我们有如下的定理：定理2 若和都是的原函数，则（为任意常数）若，则（为任意常数）表示的所有原函数我们称集合为的原函数族由此，我们引入下面的定义1.1.2不定积分定义2 在区间上，函数的所有原函数的全体，称为在上的不定积分，记作其中称为积分号，称为被积函数，称为被积表达式，称为积分变量由此定义，若是的在区间上的一个原函数，则的不定积分可表示为注 （1）不定积分和原函数是两个不同的概念，前者是个集合，后者是该集合中的一个元素（2）求不定积分，只需求出它的某一个原函数作为其无限个原函数的代表，再加上一个任意常数例1 求解 因为所以例2 求解 （1）因为所以（2）因为所以（3）因为所以例3 求解 由于时，所以是在上的一个原函数，因此在内，又当时，所以是在上的一个原函数，因此在内，综上，例4 在自由落体运动中，已知物体下落的时间为，求时刻的下落速度和下落距离解 设时刻的下落速度为，则加速度（其中为重力加速度）因此，又当时，所以于是下落速度又设下落距离为，则所以，又当时，所以于是下落距离1.1.3不定积分的几何意义设函数是连续的，若，则称曲线是函数的一条积分曲线因此不定积分在几何上表示被积函数的一族积分曲线积分曲线族具有如下特点（如图4.1）：（1）积分曲线族中任意一条曲线都可由其中某一条平移得到；（2）积分曲线上在横坐标相同的点处的切线的斜率是相同的，即在这些点处对应的切线都是平行的图4-1例5 设曲线通过点，且其上任一点处的切线斜率等于这点横坐标的两倍，求此曲线方程解 设曲线方程，曲线上任一点处切线的斜率，即是的一个原函数因为，又曲线过，所以，于是曲线方程为1.2 基本积分公式由定义可知，求原函数或不定积分与求导数或求微分互为逆运算，我们把求不定积分的运算称为积分运算既然积分运算与微分运算是互逆的，那么很自然地从导数公式可以得到相应的积分公式例如，因=，所以（）类似可以得到其他积分公式，下面一些积分公式称为基本积分公式（k是常数）;（）;，;，;以上13个基本积分公式，是求不定积分的基础，必须牢记下面举例说明积分公式的应用例6 求不定积分解 以上例子中的被积函数化成了幂函数的形式，然后直接应用幂函数的积分公式求出不定积分但对于某些形式复杂的被积函数，如果不能直接利用基本积分公式求解，则可以结合不定积分的性质和基本积分公式求出一些较为复杂的不定积分1.3 不定积分的性质根据不定积分的定义，可以推得它有如下两个性质性质1 积分运算与微分运算互为逆运算（1）或（2）或性质2 设函数和的原函数存在，则易得性质2对于有限个函数的都是成立的性质3 设函数的原函数存在，为非零的常数，则由以上两条性质，得出不定积分的线性运算性质如下：例7 求解 例8 求解 原式=例9 求解 原式例10 求解 例11 求解 =注 本节例题中的被积函数在积分过程中，要么直接利用积分性质和基本积分公式，要么将函数恒等变形再利用积分性质和基本积分公式，这种方法称为基本积分法此外，积分运算的结果是否正确，可以通过它的逆运算（求导）来检验，如果它的导函数等于被积函数，那么积分结果是正确的，否则是错误的下面再看一个抽象函数的例子：例12 设，求？解 由，可得，从而习题4-11求下列不定积分（1）； （2）；（3）； （4）；（5）； （6）；（7）； （8）；（9）； （10）；（11）； （12）；（13）； （14）；（15）； （16）；（17）； （18）2已知某产品产量的变化率是时间的函数，（，为常数）设此产品的产量函数为，且，求3验证4设，求？第2节 换元积分法和不定积分法 2.1 换元积分法上一节介绍了利用基本积分公式与积分性质的直接积分法，这种方法所能计算的不定积分是非常有限的因此，有必要进一步研究不定积分的求法这一节，我们将介绍不定积分的最基本也是最重要的方法换元积分法，简称换元法其基本思想是：利用变量替换，使得被积表达式变形为基本积分公式中的形式，从而计算不定积分换元法通常分为两类，下面首先讨论第一类换元积分法2.1.1第一类换元积分法定理1 设具有原函数，可导，则有换元公式 （4.2.1）证明 不妨令为的一个原函数,则由不定积分的定义只需证明，利用复合函数的求导法则显然成立注 由此定理可见，虽然不定积分是一个整体的记号，但从形式上看，被积表达式中的也可以当做自变量的微分来对待从而微分等式可以方便地应用到被积表达式中例1 求解 ，最后，将变量代入，即得根据例1第一类换元公式求不定积分可分以下步骤:（1）将被积函数中的简单因子凑成复合函数中间变量的微分；（2）引入中间变量作换元；（3）利用基本积分公式计算不定积分；（4）变量还原显然最重要的是第一步凑微分，所以第一类换元积分法通常也称为凑微分法例2 求解 被积函数是复合函数，中间变量，这里缺少了中间变量的导数4，可以通过改变系数凑出这个因子：例3 求解 为复合函数，是中间变量，且，对第一类换元法熟悉后，可以整个过程简化为两步完成例4 求解 注 如果被积表达式中出现，通常作如下相应的凑微分：，例5 求解 因为，亦即，所以例6 求解 因为，所以例7 求解 因为，所以在例4至例7中，没有引入中间变量，而是直接凑微分下面是根据基本微分公式推导出的常用的凑微分公式 在积分的运算中，被积函数有时还需要作适当的代数式或三角函数式的恒等变形后，再用凑微分法求不定积分例8 求解 将函数变形，由，所以得到例9 求解 例10 求解 =同理，我们可以推得例11 求解 例12 求解 例13 求解 例14 求解 同理，我们可以推得注 对形如的积分，如果，中有奇数，取奇次幂的底数（如是奇数，则取）与凑微分，那么被积函数一定能够变形为关于另一个底数的多项式函数，从而可以顺利的计算出不定积分;如果，均为偶数，则利用倍角（半角）公式降幂，直至将三角函数降为一次幂，再逐项积分例15 求解 =一般的，对于形如下列形式，的积分（），先将被积函数用三角函数积化和差公式进行恒等变形后，再逐项积分例16 求解 因为 ，所以 这是一个有理函数（形如的函数称为有理函数，均为多项式）的积分，将有理函数分解成更简单的部分分式的形式，然后逐项积分，是这种函数常用的变形方法下面再举几个被积函数为有理函数的例子例17 求解 先将有理真分式的分母因式分解，得然后利用待定系数法将被积函数进行分拆设 =，从而 ，分别将代入中，易得故原式=例18 求解 由，令，两边同乘以，得令得；令得；令，得所以故=2.1.2 第二类换元积分方法定理2 设是单调，可导的函数，并且，又设具有原函数，则有换元公式，其中，是的反函数证明 设的原函数为记，利用复合函数及反函数求导法则得，则是的原函数所以利用第二类换元法进行积分，重要的是找到恰当的函数代入到被积函数中，将被积函数化简成较容易的积分，并且在求出原函数后将还原常用的换元法主要有三角函数代换法、简单无理函数代换法和倒代换法一、三角函数代换法例19 求解 设，于是=因为 ，所以为求出，利用作辅助三角形（图4-2），求得，所以 图4-2例20 求解 令，=利用作辅助三角形（图4-3），求得 所以 图4-3例21 求解 当时，令，=利用作辅助三角形（图4-4），求得，所以 ，当时，令则，由上面的结果，得 =综上， 图4-4注 当被积函数含有形如，的二次根式时，可以作相应的换元：，将根号化去但是具体解题时，要根据被积函数的具体情况，选取尽可能简捷的代换，不能只局限于以上三种代换二、简单无理函数代换法例22 求解 令，=例23 求解 被积函数中出现了两个不同的根式，为了同时消去这两个根式，可以作如下代换：令，则，从而例24 求解 为了去掉根式，作如下代换：，则，从而 一般的，如果积分具有如下形式（1），则作变换；（2），则作变换，其中是，的最小公倍数；（3），则作变换运用这些变换就可以将被积函数中的根数去掉，被积函数就化为有理函数三、倒代换法在被积函数中如果出现分式函数，而且分母的次数大于分子的次数，可以尝试利用倒代换，即令，利用此代换，常常可以消去被积函数中分母中的变量因子例25 求解 令，=例26 求解 设于是,当时，有时，结果相同本例也可用三角代换法,请读者自行求解四、指数代换例27 求解 设 于是注 本节例题中，有些积分会经常遇到，通常也被当作公式使用承接上一节的基本积分公式，将常用的积分公式再添加几个（）：;=;=;例28 求解 =例29 求解 =例30 求解 =例31 求解 被积函数为有理函数，且分母为二次质因式的平方，把二次质因式进行配方：，令，则，所以 图4-5按照变换作（辅助三角形图4-5），则有，于是2.2 分部积分法前面我们得到了换元积分法现在我们利用“两个函数乘积的求导法则”来推导求积分的另一种基本方法分部积分法定理1 设函数，具有连续的导数，则 （4.2.2）证明 微分公式两边积分得，移项后得我们把公式（4.2.2）称为分部积分公式它可以将不易求解的不定积分转化成另一个易于求解的不定积分例32 求解 根据分部积分公式，首先要选择和，显然有两种方式，我们不妨先设 即，则采用这种选择方式，积分很顺利的被积出，但是如果作如下的选择：设 即，则，比较原积分与新得到的积分，显然后面的积分变得更加复杂难以解出由此可见利用分部积分公式的关键是恰当的选择和如果选择不当，就会使原来的积分变的更加复杂在选取和时一般考虑下面两点:（1）要容易求得；（2）要比容易求出例33 求解 令,则例34 求解 令，则利用分部积分公式得，这里运用了一次分部积分公式后，虽然没有直接将积分积出，但是的幂次比原来降了一次，显然比容易积出，根据例4.3.2，我们可以继续运用分部积分公式，从而得到注 当被积函数是幂函数与正（余）弦或指数函数的乘积时，幂函数在的前面，正（余）弦或指数函数至于的后面例35 求解 令，则 在分部积分公式运用比较熟练后，就不必具体写出和，只要把被积表达式写成的形式，直接套用分部积分公式即可例36 求解 注 当被积函数是幂函数与对数函数或反三角函数的乘积时，对数函数或反三角函数在的前面，幂函数至于的后面下面再来举几个比较典型的分部积分的例子例37 求解 （法一） =， （法二） = = =， 当被积函数是指数函数与正（余）弦函数的乘积时，任选一种函数凑微分，经过两次分部积分后，会还原到原来的积分形式，只是系数发生了变化，我们往往称它为“循环法”，但要注意两次凑微分函数的选择要一致例38 求解 ，利用 并解方程得 =+在求不定积分的过程中，有时需要同时使用换元法和分部积分法例39 求解 令，例40 求解 令，=下面再看一个抽象函数的例子 例41 已知的一个原函数是，求？解 因为的一个原函数是，所以，且 从而原式习题4-2一、求下列不定积分1；2；3（）；4；5；6；7；8；9；10；11；12；13；14；15；16；17；18；19；20；21；22；23； 24；25；26；27；28；29；30；31；32；33；34；35；36；37；38；39；40；41；42；43； 44；45；46二、求下列不定积分1； 2；3； 4；5； 6（）；7； 8；9； 10；11； 12；13； 14；15； 16；17； 18三、已知的一个原函数是，求.第3节 有理函数的积分3.1 有理函数的积分有理函数的形式:有理函数是指由两个多项式的商所表示的函数,即具有如下形式的函数: ,其中m和n都是非负整数; a0,a1,a2,an及b0,b1,b2,bm都是实数,并且a00,b00.当nm时,称这有理函数是真分式;而当nm时,称这有理函数是假分式.假分式总可以化成一个多项式与一个真分式之和的形式.例如.真分式的不定积分:求真分式的不定积分时,如果分母可因式分解,则先因式分解,然后化成部分分式再积分.例1 求.解 =6ln|x-3|-5ln|x-2|+C.提示:,A+B=1,-3A-2B=3,A=6,B=-5.分母是二次质因式的真分式的不定积分:例2 求.解 .提示:.例3 求.解 .提示:.3.2 三角函数有理式的积分三角函数有理式是指由三角函数和常数经过有限次四则运算所构成的函数,其特点是分子分母都包含三角函数的和差和乘积运算.由于各种三角函数都可以用sin x及cos x的有理式表示,故三角函数有理式也就是sin x、cos x的有理式.用于三角函数有理式积分的变换:把sin x、cos x表成的函数,然后作变换:,.变换后原积分变成了有理函数的积分.例4 求.解 令,则,x=2arctan u,.于是.说明: 并非所有的三角函数有理式的积分都要通过变换化为有理函数的积分. 例如,.习题4-3求下列不定积分1.； 2.；3.； 4. ；5.； 6.；7.； 8.；9. ； 10.；11.； 12.第4节 MATLAB软件的应用在高等数学中，经常利用函数图形研究函数的性质，在此，我们应用MATLAB命令来实现这一操作.MATLAB符号运算工具箱提供了int函数来求函数的不定积分，该函数的调用格式为：Int(fx,x) %求函数f(x)关于x的不定积分参数说明：fx是函数的符号表达式，x是符号自变量，当fx只含一个变量时，x可省略.例计算下面的不定积分.syms xI=int(x+sin(x)/(1+cosx)I=X*tan(x/2)说明：由上述运行结果可知，int函数求取的不定积分是不带常数项的，要得到一般形式的不定积分，可以编写以下语句：syms x cfx=f(x);int(fx,x)+c以为例，编写如下语句可以得到其不定积分：syms x cfx=(x+sin(x)/(1+cos(x);I=int(fx,x)+cI=C+x*tan(x/2)在上述语句的基础上再编写如下语句即可观察函数的积分曲线族：ezplot(fx,-2,2)hf=ezplot(fx,-2,2);xx=linspace(-2,2);plot(xx,subs(fx,xx),k,LineWidth,2)hold onfor c=0:6Y=inline(subs(I,C,c);Plot(xx,y(xx),LineStyle,- -);Endlegend(函数曲线，积分曲线族，4).总习题4(A)一、填空题1若的一个原函数为，则=2设，则345二、选择题1曲线在点处的切线斜率为，且过点，则该曲线方程为(A) (B) (C) (D) 2设的一个原函数是，则(A) (B) (C) (D) 3设是的一个原函数，则(A) (B) (C) (D) 4设的原函数为，则等于(A) (B) (C) (D) 5(A) (B) (C) (D) 三、计算下列各题1；2；3；4；5；6；7；8；9；10；11；12；13；14；15；16；17；18；19；20；21；22；23； 24；25；26；27；28；29；30；31；32；33；34；35；36(B)1.（1999、数学一）设是连续函数是的原函数,则( ).(A) 当是奇函数时,必是偶函数.(B) 当是偶函数时,必是奇函数.(C) 当是周期函数时,必是周期函数.(D) 当是单调增函数时,必是单调增函数.2.（2006、数学二） 求.3.（2003、数学二） 计算不定积分.4.(2009、数学三) 计算不定积分.