UCR · MATH 009B

商科数学基础 · 积分复习手册

涵盖不定积分与定积分、微积分基本定理、各类积分技巧(换元、分部、三角代换、部分分式),以及积分的几何应用(面积、体积、弧长、表面积)与反常积分。每个小节包含核心知识点与逐步例题解析,例题可点击展开查看完整解答。

知识点小节

14 节

例题总数

57 题

函数图像

完整坐标系

5.1

不定积分与反导数

不定积分(反导数):找一个函数 F(x)F(x),使其导数等于给定的 f(x)f(x),即 F′(x)=f(x)F'(x)=f(x)。结果必须加上积分常数 CC。

函数 f(x)f(x)不定积分 ∫f(x) dx\int f(x)\,dx
xnx^n(幂函数)xn+1n+1+C\dfrac{x^{n+1}}{n+1}+C(幂次法则)
sin⁡x\sin x−cos⁡x+C-\cos x + C
cos⁡x\cos xsin⁡x+C\sin x + C
tan⁡x\tan x−ln⁡∣cos⁡x∣+C-\ln|\cos x| + C
sec⁡x\sec xln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\ln|\sec x+\tan x| + C
1x\dfrac{1}{x}ln⁡∣x∣+C\ln|x| + C
exe^xex+Ce^x + C
初值问题(IVP):已知高阶导数(如 f′′(x)f''(x))与某点的初始条件,逐步积分反推原函数。步骤:积分 f′′f'' 得 f′f' → 用初始条件求 C1C_1 → 再积分得 ff → 求 C2C_2。

例题(3)

例 2

二阶导数的初值问题

题目:已知 f′′(x)=12x2+2x+3f''(x)=12x^2+2x+3,f′(1)=−3f'(1)=-3,f(1)=5f(1)=5,求 f(x)f(x)。
例 3

三角函数的初值问题

题目:已知 f′′(x)=sin⁡xf''(x)=\sin x,f′(π)=2f'(\pi)=2,f(π)=4f(\pi)=4,求 f(x)f(x)。
例 4

自由落体速度方程

题目:加速度 a(t)=−32 ft/s2a(t)=-32\ \text{ft/s}^2,已知 v(3)=−10 ft/sv(3)=-10\ \text{ft/s},求 v(t)v(t)。
5.2

定积分

定积分 ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx 表示函数在区间 [a,b][a,b] 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 15 ft/s15\ \text{ft/s} 向正方向行进 1010 秒,然后立刻以 5 ft/s5\ \text{ft/s} 反向行进,求 t=13t=13 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。nn 为矩形数量,nn 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 nn 段,算宽度 Δx=b−an\Delta x=\dfrac{b-a}{n},再求各矩形面积之和。

例题(3)

例 6

左端点黎曼和(n=4n=4,上半圆)

题目:f(x)=4−(x−2)2f(x)=\sqrt{4-(x-2)^2},∫04f(x) dx\displaystyle\int_0^4 f(x)\,dx,n=4n=4。
-112345-0.50.511.522.53a=0b=4
f(x)=√(4-(x-2)²)(上半圆)
向左右各延伸约 1.5 个单位以展示完整上半圆;阴影矩形为左端点近似(取左端点高度)。
例 7

右端点黎曼和(n=6n=6,上半圆)

题目:f(x)=9−x2f(x)=\sqrt{9-x^2},∫−33f(x) dx\displaystyle\int_{-3}^{3} f(x)\,dx,n=6n=6。
-4-2241234a=-3b=3
f(x)=√(9-x²)(半径3上半圆)
视窗向左右各延伸 1.5 单位以完整呈现半圆;矩形高度取右端点函数值。
例 8

左端点黎曼和(n=6n=6,f(x)=x2f(x)=x^2)

题目:f(x)=x2f(x)=x^2,∫−33f(x) dx\displaystyle\int_{-3}^{3} f(x)\,dx,n=6n=6。
-4-224246810a=-3b=3
f(x)=x²
抛物线向左右延伸至 ±4.5 以显示完整开口;矩形取左端点高度。
5.4

微积分基本定理(FTC)

FTC 第一部分:若 F(x)=∫ag(x)f(t) dtF(x)=\int_a^{g(x)} f(t)\,dt,则 F′(x)=f(g(x))⋅g′(x)F'(x)=f(g(x))\cdot g'(x)(配合链式法则,上��是 xx 的函数时需乘其导数)。
FTC 第二部分:∫abf(x) dx=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\,dx=F(b)-F(a),其中 F′=fF'=f。这是计算定积分的标准方法。

曲线围成面积:∫ab∣上方函数−下方函数∣ dx\int_a^b|\text{上方函数}-\text{下方函数}|\,dx。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:F(x)=∫2x2t3 dt\displaystyle F(x)=\int_2^{x^2} t^3\,dt,求 F′(x)F'(x)。
例 10

FTC1(上限为 cos⁡x\cos x)

题目:F(x)=∫2cos⁡xt2 dt\displaystyle F(x)=\int_2^{\cos x} t^2\,dt,求 F′(x)F'(x)。
例 11

交换上下限

题目:F(x)=−∫x2t3 dt\displaystyle F(x)=-\int_x^2 t^3\,dt,求 F′(x)F'(x)。
例 12

上下限都是 xx 的函数

题目:F(x)=∫xx2(t3+t) dt\displaystyle F(x)=\int_x^{x^2}(t^3+t)\,dt,求 F′(x)F'(x)。
例 13

FTC2 计算定积分

题目:(a) ∫13(3x2−2x+1) dx\displaystyle\int_1^3(3x^2-2x+1)\,dx;(b) ∫π/2π(3x2−2x+1) dx\displaystyle\int_{\pi/2}^{\pi}(3x^2-2x+1)\,dx。
例 14

两曲线围成面积(需分段)

题目:y=−2x+5y=-2x+5 与 y=x3−7x2+12x−3y=x^3-7x^2+12x-3 围成的面积。
12345-4-22468x=1x=2x=4
y=-2x+5(直线)y=x³-7x²+12x-3(曲线)
视窗扩展到 x∈[-0.5,5]、y∈[-5,8] 以显示曲线与直线三个交点处的完整起伏。两段阴影上下关系相反,需分段积分。
例 15

区间 [−1,12][-1,\tfrac12] 上的面积

题目:y=x−2x3y=x-2x^3,y=x2y=x^2,区间 [−1,12][-1,\tfrac12] 围成面积。
-1.5-1-0.50.51-1-0.50.51x=-1x=0x=½
y=x-2x³y=x²
视窗扩到 x∈[-1.6,1.1] 以完整展示两曲线在交点 -1、0、½ 附近的形状;阴影分两段,上下关系在 x=0 处互换。
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 uu,让积分变简单。

  • 第 1 步:选 uu。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 dudu。对 uu 求导得 dudx=g′(x)\dfrac{du}{dx}=g'(x),再写成 du=g′(x) dxdu=g'(x)\,dx。
  • 第 3 步:解出 dxdx 或凑微分。把原积分里的 dxdx 和多余因子全部用 uu、dudu 替换,确保式子里不再有 xx。
  • 第 4 步:对 uu 积分(此时应是基本积分表里的形式)。
  • 第 5 步:把 u=g(x)u=g(x) 换回去,写出关于 xx 的答案,别忘了 +C+C。
检验小技巧:换元后如果式子里还残留 xx(无法消掉),说明 uu 选错了,换一个再试。

例题(4)

例 16

对数型换元(分母换元)

题目:∫x4x5+1 dx\displaystyle\int\frac{x^4}{x^5+1}\,dx
例 17

tan⁡x sec⁡2x\tan x\,\sec^2 x(导数对出现)

题目:∫tan⁡(x)sec⁡2(x) dx\displaystyle\int\tan(x)\sec^2(x)\,dx
例 18

线性内层换元(最常见类型)

题目:∫cos⁡(5x+2) dx\displaystyle\int\cos(5x+2)\,dx
例 19

sec⁡x\sec x 的经典技巧(需要记忆)

题目:∫sec⁡(x) dx\displaystyle\int\sec(x)\,dx
6.2

分部积分法(IBP)

公式:∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv=uv-\int v\,du。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 uu 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 uu。
  • 为什么这样选?因为 uu 要被求导(希望它越求越简单,如 x2→2x→2x^2\to2x\to2),dvdv 要被积分(希望它积分后不变复杂,如 exe^x、sin⁡x\sin x)。
  • 操作:选定 uu 和 dvdv 后,分别算出 dudu(对 uu 求导)和 vv(对 dvdv 积分),再套公式。
  • 若一次后右边仍是乘积,就再用一次分部(如 ∫x2cos⁡x dx\int x^2\cos x\,dx);若转了一圈又出现原积分,则把它移到等号同侧解方程(如 ∫exsin⁡x dx\int e^x\sin x\,dx)。

例题(4)

例 20

∫xex dx\int xe^x\,dx(最基础的分部)

题目:∫xex dx\displaystyle\int xe^x\,dx
例 21

两次分部积分

题目:∫x2cos⁡(x) dx\displaystyle\int x^2\cos(x)\,dx
例 22

循环分部积分(移项解方程)

题目:∫exsin⁡(x) dx\displaystyle\int e^x\sin(x)\,dx
例 23

换元 + 分部(综合)

题目:∫sin⁡(ln⁡x) dx\displaystyle\int\sin(\ln x)\,dx
6.3

三角积分

  • 核心恒等式:sin⁡2x+cos⁡2x=1\sin^2 x+\cos^2 x=1,由它可推出 tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2 x+1=\sec^2 x。
  • 半角(降次)公式:sin⁡2x=1−cos⁡2x2\sin^2 x=\dfrac{1-\cos 2x}{2},cos⁡2x=1+cos⁡2x2\cos^2 x=\dfrac{1+\cos 2x}{2}。用于偶数次幂。
  • 求导对照:(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x,(cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)'=-\sin x,(tan⁡x)′=sec⁡2x(\tan x)'=\sec^2 x,(sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x(\sec x)'=\sec x\tan x。换元时要靠它们配对。
判断方法:∫sin⁡mxcos⁡nx dx\int\sin^m x\cos^n x\,dx 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 dudu,其余偶数次用 sin⁡2+cos⁡2=1\sin^2+\cos^2=1 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

sin⁡5xcos⁡2x\sin^5 x\cos^2 x(sin⁡\sin 为奇次)

题目:∫sin⁡5(x)cos⁡2(x) dx\displaystyle\int\sin^5(x)\cos^2(x)\,dx
例 25

sin⁡2xcos⁡3x\sin^2 x\cos^3 x(cos⁡\cos 为奇次)

题目:∫sin⁡2(x)cos⁡3(x) dx\displaystyle\int\sin^2(x)\cos^3(x)\,dx
例 26

sin⁡2x\sin^2 x(偶次 → 用半角降次)

题目:∫sin⁡2(x) dx\displaystyle\int\sin^2(x)\,dx
例 27

tan⁡3xsec⁡x\tan^3 x\sec x

题目:∫tan⁡3(x)sec⁡(x) dx\displaystyle\int\tan^3(x)\sec(x)\,dx
6.4

三角代换

当被积函数里出现 a2−x2\sqrt{a^2-x^2}、a2+x2\sqrt{a^2+x^2}、x2−a2\sqrt{x^2-a^2} 这类根号时,普通换元行不通。技巧是把 xx 设成三角函数,利用 sin⁡2+cos⁡2=1\sin^2+\cos^2=1 或 tan⁡2+1=sec⁡2\tan^2+1=\sec^2 把根号“开方开干净”。

根式形式代换用到的恒等式开方后
a2−x2\sqrt{a^2-x^2}x=asin⁡θx=a\sin\theta1−sin⁡2θ=cos⁡2θ1-\sin^2\theta=\cos^2\thetaacos⁡θa\cos\theta
a2+x2\sqrt{a^2+x^2}x=atan⁡θx=a\tan\theta1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1+\tan^2\theta=\sec^2\thetaasec⁡θa\sec\theta
x2−a2\sqrt{x^2-a^2}x=asec⁡θx=a\sec\thetasec⁡2θ−1=tan⁡2θ\sec^2\theta-1=\tan^2\thetaatan⁡θa\tan\theta
最后一步“换回 xx”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 xx 的表达式。

例题(3)

例 28

9−x2\sqrt{9-x^2}(a2−x2a^2-x^2 型)

题目:∫9−x2 dx\displaystyle\int\sqrt{9-x^2}\,dx
-4-2241234
y=√(9-x²)
被积函数 √(9-x²) 恰为半径3的上半圆;视窗向左右延伸至 ±4.5 完整呈现圆弧。结果含 arcsin 项即半圆面积公式。
例 29

x216−x2\dfrac{x^2}{\sqrt{16-x^2}}

题目:∫x216−x2 dx\displaystyle\int\frac{x^2}{\sqrt{16-x^2}}\,dx
例 30

x2+2\sqrt{x^2+2}(a2+x2a^2+x^2 型)

题目:∫x2+2 dx\displaystyle\int\sqrt{x^2+2}\,dx
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 ln⁡\ln)。
  • 重复因子 (x+a)2(x+a)^2 要写两项:Bx+a+C(x+a)2\dfrac{B}{x+a}+\dfrac{C}{(x+a)^2}。
求系数的“遮盖法”:把某因子设为 0 的 xx 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

1x2−1\dfrac{1}{x^2-1}(两个不同一次因子)

题目:∫1x2−1 dx\displaystyle\int\frac{1}{x^2-1}\,dx
例 32

重复因子 (x+2)2(x+2)^2

题目:∫1x(x+2)2 dx\displaystyle\int\frac{1}{x(x+2)^2}\,dx
例 33

7x+2x2+x−2\dfrac{7x+2}{x^2+x-2}(分子非常数)

题目:∫7x+2x2+x−2 dx\displaystyle\int\frac{7x+2}{x^2+x-2}\,dx
例 34

2x−1x2+5x+4\dfrac{2x-1}{x^2+5x+4}

题目:∫2x−1x2+5x+4 dx\displaystyle\int\frac{2x-1}{x^2+5x+4}\,dx
6.6

双曲函数

  • sinh⁡x=ex−e−x2\sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}{2},cosh⁡x=ex+e−x2\cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}{2}。
  • ∫sinh⁡x dx=cosh⁡x+C\int\sinh x\,dx=\cosh x+C,∫cosh⁡x dx=sinh⁡x+C\int\cosh x\,dx=\sinh x+C(无负号)。
  • 含 sinh⁡⋅cosh⁡\sinh\cdot\cosh 乘积用换元(u=cosh⁡xu=\cosh x);含 xsinh⁡xx\sinh x 用分部积分。

例题(2)

例 35

换元(sinh⁡\sinh 与 cosh⁡\cosh 配对)

题目:∫sinh⁡(x)cosh⁡6(x) dx\displaystyle\int\sinh(x)\cosh^6(x)\,dx
例 36

分部积分(xx 乘双曲函数)

题目:∫xsinh⁡(x) dx\displaystyle\int x\sinh(x)\,dx
6.8

反常积分

核心方法:用极限替换无穷上下限或间断点:∫a∞f(x) dx=lim⁡b→∞∫abf(x) dx\int_a^\infty f(x)\,dx=\lim_{b\to\infty}\int_a^b f(x)\,dx。极限有限则收敛,否则发散。
重要结论:∫1∞1xp dx\int_1^\infty\frac{1}{x^p}\,dx 当 p>1p>1 时收敛,p≤1p\le1 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:∫0∞11+x2 dx\displaystyle\int_0^\infty\frac{1}{1+x^2}\,dx
例 38

发散(1/x1/x)

题目:∫1∞1x dx\displaystyle\int_1^\infty\frac{1}{x}\,dx
例 39

收敛(1/x21/x^2)

题目:∫1∞1x2 dx\displaystyle\int_1^\infty\frac{1}{x^2}\,dx
例 40

下限为 −∞-\infty

题目:∫−∞0ex dx\displaystyle\int_{-\infty}^0 e^x\,dx
例 41

高斯型换元

题目:∫0∞xe−x2 dx\displaystyle\int_0^\infty xe^{-x^2}\,dx
例 42

内部间断点(陷阱)

题目:∫−111x2 dx\displaystyle\int_{-1}^1\frac{1}{x^2}\,dx
例 43

端点间断点

题目:∫015xx2−1 dx\displaystyle\int_0^1\frac{5x}{x^2-1}\,dx
例 44

收敛的无界被积函数

题目:∫057x dx\displaystyle\int_0^5\frac{7}{\sqrt{x}}\,dx
7.2

圆盘法 / 垫圈法

  • 圆盘法:截面为实心圆盘,V=π∫ab[R(x)]2 dxV=\pi\int_a^b [R(x)]^2\,dx。
  • 垫圈法:截面为空心圆环,V=π∫ab([R(x)]2−[r(x)]2) dxV=\pi\int_a^b([R(x)]^2-[r(x)]^2)\,dx。
  • 绕 xx 轴对 xx 积分;绕非坐标轴(如 y=4y=4)需相应调整半径(如 R=4−f(x)R=4-f(x))。

例题(7)

例 47

绕 xx 轴(圆盘法)

题目:绕 xx 轴旋转 y=exy=e^x,y=0y=0,x=0x=0,x=3x=3。
1235101520x=0x=3
y=eˣ
视窗扩到 x∈[-0.8,3.8] 展示指数曲线完整增长;阴影区绕 x 轴旋转生成实心圆盘。
例 48

绕 y=4y=4(垫圈法)

题目:绕直线 y=4y=4 旋转 y=x2y=x^2 与 y=4y=4。
-3-2-1123-1123456(-2,4)(2,4)
y=x²y=4(旋转轴)
视窗 x∈[-3,3] 完整呈现抛物线与 y=4 的两个交点;阴影绕 y=4 旋转,半径 R=4-x²。
例 49

绕 yy 轴(壳法)

题目:绕 yy 轴旋转 y=1/xy=1/x,x∈[1,3]x\in[1,3]。
1234-0.250.250.50.7511.251.5x=1x=3
y=1/x
视窗 x∈[-0.5,4] 展示 1/x 完整双曲走势;阴影绕 y 轴旋转,每个壳半径 x、高度 1/x。
例 50

x\sqrt x 与 xx 绕 xx 轴(垫圈)

题目:绕 xx 轴旋转 y=xy=\sqrt x 与 y=xy=x。
-0.250.250.50.7511.251.5-0.250.250.50.7511.25(0,0)(1,1)
y=√xy=x
视窗 x∈[-0.4,1.6] 展示 √x 与 x 在 [0,1] 上的完整夹层区域;外径 √x、内径 x。
例 51

x\sqrt x,xx 绕 x=1x=1(壳法)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕竖直轴 x=1x=1 旋转。
例 52

x\sqrt x,xx 绕 yy 轴(壳法)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕 yy 轴旋转。
例 53

x\sqrt x,xx 绕 y=1y=1(垫圈)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕 y=1y=1 旋转。
7.3

壳法(圆柱壳法)

公式:V=2π∫abr(x)⋅h(x) dxV=2\pi\int_a^b r(x)\cdot h(x)\,dx,r(x)r(x) 为壳到旋转轴的半径,h(x)h(x) 为壳高度(函数值之差)。

选用时机:当用圆盘/垫圈法需对 yy 积分却不便反解时,改用壳法对 xx 积分更简便(反之亦然)。

例题(4)

例 54

绕 yy 轴(同例52)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕 yy 轴旋转。
例 55

绕 x=1x=1(同例51)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕 x=1x=1 旋转。
例 56

绕 xx 轴(对 yy 的壳法)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕 xx 轴旋转。
例 57

绕 y=1y=1(壳法)

题目:y=xy=\sqrt x,y=xy=x 绕 y=1y=1 旋转。
7.4

弧长与旋转体表面积

弧长:L=∫ab1+[f′(x)]2 dxL=\int_a^b\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx。
  • 绕 xx 轴表面积:S=2π∫abf(x)1+[f′(x)]2 dxS=2\pi\int_a^b f(x)\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx。
  • 绕 yy 轴表面积:S=2π∫abx1+[f′(x)]2 dxS=2\pi\int_a^b x\sqrt{1+[f'(x)]^2}\,dx。
  • 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)=23(x−1)3/2f(x)=\frac23(x-1)^{3/2},x∈[1,3]x\in[1,3]。
0.511.522.533.5x=1x=3
f(x)=⅔(x-1)^{3/2}
视窗 x∈[0.5,3.5] 展示曲线从 x=1 起完整上升;弧长测量该段曲线实际长度。
例 59

绕 xx 轴的表面积

题目:f(x)=2xf(x)=\sqrt{2x},x∈[0,1]x\in[0,1]。
-0.250.250.50.7511.251.50.511.5x=0x=1
f(x)=√(2x)
视窗 x∈[-0.4,1.6] 展示 √(2x) 完整曲线;该弧绕 x 轴旋转生成曲面,求其表面积。
例 60

绕 yy 轴的表面积

题目:f(x)=1+4x2f(x)=1+4x^2,x∈[0,3]x\in[0,3]。
-3-2-112310203040x=0x=3
f(x)=1+4x²
视窗 x∈[-3.5,3.5] 完整呈现抛物线开口;积分段 [0,3] 绕 y 轴旋转求表面积。
术语

中英文术语对照

English中文
Antiderivative原函数 / 反导数
Indefinite Integral不定积分
Definite Integral定积分
IVP初值问题
Riemann Sum黎曼和
FTC微积分基本定理
u-Substitution换元积分法
IBP分部积分法
LIATE分部选 u 口诀
Trig Substitution三角代换
PFD部分分式分解
Hyperbolic Functions双曲函数
Improper Integral反常积分
Convergence / Divergence收敛 / 发散
Disk / Washer Method圆盘 / 垫圈法
Shell Method壳法
Arc Length弧长
Surface of Revolution旋转体表面积