5.1
不定积分与反导数
不定积分(反导数):找一个函数 ,使其导数等于给定的 ,即 。结果必须加上积分常数 。
| 函数 | 不定积分 |
|---|---|
| (幂函数) | (幂次法则) |
初值问题(IVP):已知高阶导数(如 )与某点的初始条件,逐步积分反推原函数。步骤:积分 得 → 用初始条件求 → 再积分得 → 求 。
例题(3)
例 2
二阶导数的初值问题
题目:已知 ,,,求 。
例 3
三角函数的初值问题
题目:已知 ,,,求 。
例 4
自由落体速度方程
题目:加速度 ,已知 ,求 。
5.2
定积分
定积分 表示函数在区间 上带符号的“面积”,结果是一个数值。
- 位移(Displacement):速度对时间的定积分 = 位置净变化量,有方向,正负抵消。
- 总路程(Total Distance):速度绝对值的定积分 = 实际走过的全部路程,不抵消。
例题(1)
例 5
水平运动物体的位移
题目:物体先以 向正方向行进 秒,然后立刻以 反向行进,求 秒时的总位移。
5.3
黎曼和
黎曼和:用若干个矩形的面积之和近似曲线下面积,是定积分的数值估算方法。 为矩形数量, 越大越精确。
- 左端点法:每个矩形高度取该子区间左端点的函数值。
- 右端点法:每个矩形高度取该子区间右端点的函数值。
- 步骤:等分区间为 段,算宽度 ,再求各矩形面积之和。
例题(3)
例 6
左端点黎曼和(,上半圆)
题目:,,。
f(x)=√(4-(x-2)²)(上半圆)
例 7
右端点黎曼和(,上半圆)
题目:,,。
f(x)=√(9-x²)(半径3上半圆)
例 8
左端点黎曼和(,)
题目:,,。
f(x)=x²
5.4
微积分基本定理(FTC)
FTC 第一部分:若 ,则 (配合链式法则,上��是 的函数时需乘其导数)。
FTC 第二部分:,其中 。这是计算定积分的标准方法。
曲线围成面积:。需先找交点确定区间并判断上下关系。
例题(7)
例 9
FTC1 + 链式法则
题目:,求 。
例 10
FTC1(上限为 )
题目:,求 。
例 11
交换上下限
题目:,求 。
例 12
上下限都是 的函数
题目:,求 。
例 13
FTC2 计算定积分
题目:(a) ;(b) 。
例 14
两曲线围成面积(需分段)
题目: 与 围成的面积。
y=-2x+5(直线)y=x³-7x²+12x-3(曲线)
例 15
区间 上的面积
题目:,,区间 围成面积。
y=x-2x³y=x²
6.1
换元积分法(u-Substitution)
换元法是“链式法则的逆运算”。当被积函数里有“一个函数和它的导数同时出现”时,就可以把里面那一坨复杂的东西整体换成 ,让积分变简单。
- 第 1 步:选 。通常选“最里层的函数”“根号/分母里的式子”或“括号里的式子”。
- 第 2 步:求 。对 求导得 ,再写成 。
- 第 3 步:解出 或凑微分。把原积分里的 和多余因子全部用 、 替换,确保式子里不再有 。
- 第 4 步:对 积分(此时应是基本积分表里的形式)。
- 第 5 步:把 换回去,写出关于 的答案,别忘了 。
检验小技巧:换元后如果式子里还残留 (无法消掉),说明 选错了,换一个再试。
例题(4)
例 16
对数型换元(分母换元)
题目:
例 17
(导数对出现)
题目:
例 18
线性内层换元(最常见类型)
题目:
例 19
的经典技巧(需要记忆)
题目:
6.2
分部积分法(IBP)
公式:。它来自乘积求导法则的逆运算。当被积函数是“两类不同函数相乘”(如多项式×指数、多项式×三角)时使用。
- 选 用口诀 LIATE:对数(L) > 反三角(I) > 代数/多项式(A) > 三角(T) > 指数(E)。排在前面的优先选作 。
- 为什么这样选?因为 要被求导(希望它越求越简单,如 ), 要被积分(希望它积分后不变复杂,如 、)。
- 操作:选定 和 后,分别算出 (对 求导)和 (对 积分),再套公式。
- 若一次后右边仍是乘积,就再用一次分部(如 );若转了一圈又出现原积分,则把它移到等号同侧解方程(如 )。
例题(4)
例 20
(最基础的分部)
题目:
例 21
两次分部积分
题目:
例 22
循环分部积分(移项解方程)
题目:
例 23
换元 + 分部(综合)
题目:
6.3
三角积分
- 核心恒等式:,由它可推出 。
- 半角(降次)公式:,。用于偶数次幂。
- 求导对照:,,,。换元时要靠它们配对。
判断方法: 中,只要有一个幂是奇数,就从那个奇数幂里“借出一个因子”留给 ,其余偶数次用 换成另一个函数,再换元。若两个幂都是偶数,则用半角公式降次。
例题(4)
例 24
( 为奇次)
题目:
例 25
( 为奇次)
题目:
例 26
(偶次 → 用半角降次)
题目:
例 27
题目:
6.4
三角代换
当被积函数里出现 、、 这类根号时,普通换元行不通。技巧是把 设成三角函数,利用 或 把根号“开方开干净”。
| 根式形式 | 代换 | 用到的恒等式 | 开方后 |
|---|---|---|---|
最后一步“换回 ”要画直角三角形:根据代换写出对边、邻边、斜边,再读出其它三角函数关于 的表达式。
例题(3)
例 28
( 型)
题目:
y=√(9-x²)
例 29
题目:
例 30
( 型)
题目:
6.5
部分分式分解(PFD)
- 适用:被积函数是“多项式除以多项式”的有理分式,且分母能因式分解。目标是把大分式拆成几个简单小分式之和,再逐个积分。
- 第 1 步:分母因式分解。第 2 步:按因子写出待定系数(每个一次因子配一个常数分子)。第 3 步:两边乘回分母,比较系数或代入特殊值求出常数。第 4 步:逐项积分(多为 )。
- 重复因子 要写两项:。
求系数的“遮盖法”:把某因子设为 0 的 值代入,能让其它项消失,从而快速解出对应常数。
例题(4)
例 31
(两个不同一次因子)
题目:
例 32
重复因子
题目:
例 33
(分子非常数)
题目:
例 34
题目:
6.6
双曲函数
- ,。
- ,(无负号)。
- 含 乘积用换元();含 用分部积分。
例题(2)
例 35
换元( 与 配对)
题目:
例 36
分部积分( 乘双曲函数)
题目:
6.8
反常积分
核心方法:用极限替换无穷上下限或间断点:。极限有限则收敛,否则发散。
重要结论: 当 时收敛, 时发散。务必先检查区间内是否有间断点!
例题(8)
例 37
收敛(arctan)
题目:
例 38
发散()
题目:
例 39
收敛()
题目:
例 40
下限为
题目:
例 41
高斯型换元
题目:
例 42
内部间断点(陷阱)
题目:
例 43
端点间断点
题目:
例 44
收敛的无界被积函数
题目:
7.2
圆盘法 / 垫圈法
- 圆盘法:截面为实心圆盘,。
- 垫圈法:截面为空心圆环,。
- 绕 轴对 积分;绕非坐标轴(如 )需相应调整半径(如 )。
例题(7)
例 47
绕 轴(圆盘法)
题目:绕 轴旋转 ,,,。
y=eˣ
例 48
绕 (垫圈法)
题目:绕直线 旋转 与 。
y=x²y=4(旋转轴)
例 49
绕 轴(壳法)
题目:绕 轴旋转 ,。
y=1/x
例 50
与 绕 轴(垫圈)
题目:绕 轴旋转 与 。
y=√xy=x
例 51
, 绕 (壳法)
题目:, 绕竖直轴 旋转。
例 52
, 绕 轴(壳法)
题目:, 绕 轴旋转。
例 53
, 绕 (垫圈)
题目:, 绕 旋转。
7.3
壳法(圆柱壳法)
公式:, 为壳到旋转轴的半径, 为壳高度(函数值之差)。
选用时机:当用圆盘/垫圈法需对 积分却不便反解时,改用壳法对 积分更简便(反之亦然)。
例题(4)
例 54
绕 轴(同例52)
题目:, 绕 轴旋转。
例 55
绕 (同例51)
题目:, 绕 旋转。
例 56
绕 轴(对 的壳法)
题目:, 绕 轴旋转。
例 57
绕 (壳法)
题目:, 绕 旋转。
7.4
弧长与旋转体表面积
弧长:。
- 绕 轴表面积:。
- 绕 轴表面积:。
- 注意:这里算的是表面积,不是体积,别混淆。
例题(3)
例 58
弧长
题目:,。
f(x)=⅔(x-1)^{3/2}
例 59
绕 轴的表面积
题目:,。
f(x)=√(2x)
例 60
绕 轴的表面积
题目:,。
f(x)=1+4x²
术语
中英文术语对照
| English | 中文 | 说明 |
|---|---|---|
| Antiderivative | 原函数 / 反导数 | 导数为 f(x) 的函数 F(x) |
| Indefinite Integral | 不定积分 | 含积分常数 C 的积分结果 |
| Definite Integral | 定积分 | 有上下限的积分,结果为数值 |
| IVP | 初值问题 | 已知初始条件,求具体函数 |
| Riemann Sum | 黎曼和 | 用矩形面积近似积分 |
| FTC | 微积分基本定理 | 连接导数与积分的核心定理 |
| u-Substitution | 换元积分法 | 通过换元简化积分 |
| IBP | 分部积分法 | ∫u dv = uv - ∫v du |
| LIATE | 分部选 u 口诀 | 对数>反三角>代数>三角>指数 |
| Trig Substitution | 三角代换 | 用三角函数消去根号 |
| PFD | 部分分式分解 | 将有理分式拆成简单分式 |
| Hyperbolic Functions | 双曲函数 | sinh、cosh,由指数函数定义 |
| Improper Integral | 反常积分 | 上下限含无穷或被积函数无界 |
| Convergence / Divergence | 收敛 / 发散 | 积分值有限 / 无限 |
| Disk / Washer Method | 圆盘 / 垫圈法 | 截面积分求旋转体体积 |
| Shell Method | 壳法 | 薄圆柱壳积分求体积 |
| Arc Length | 弧长 | 曲线的实际长度 |
| Surface of Revolution | 旋转体表面积 | 曲线旋转一圈形成的曲面 |