张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
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第一换元
定理 1. (第一换元)
设定义在上,在上有连续导数,且。记
若在上有原函数,则
证:
第二换元
定理 2. (第二换元)
设定义在上,在上有连续导数,,
且。记
若在上有原函数 时,则
证: ,则存在,且
- 第一换元法,又叫做凑微分法。
如,注意到
- 第二换元法则是主动用表达式替换。
如令,则,即,则有
换元表
分部积分
定理 3. (分部积分)
设可导,存在,则
也存在,且
证:
由存在,则
算例
换元
例 1. [例4.2.10]
例 2.
例 3. [例4.2.12]
例 4. ,
1.
令
,
或令
,
分部积分
例 5. , ,
例 6.
例 7.
例 8.
, ,
, 则
对积分,其中为多项式,
- 为,则可以采用降幂的方法
- 为,可以采用升幂的方法
循环
例 9.
例 10. (例4.2.10)
例 11. [例4.2.16]
递推
例 12.
例 13.
例 14. [例4.2.16]
例 15. [例4.2.17]
有
有理函数的不定积分
定义 1.
两个实系数多项式的商,称为有理函数,其一般形式为
其中为非负整数,, ,, 均为实数。
时,称为有理真分式,否则,称为有理假分式。
任何一个有理真分式可以拆解一个有理真分式与一个多项式的和。
几个简单有理函数的积分
当时,
当时,上面的积分是多少?
由前面给出了递推关系计算。
例 16.
例 17.
例 18.
例 19.
若,则
例 20.
例 21.
设
由
取,则有
设
- 两边乘,取,得
- 两边乘,取,得
- 两边乘,取,得
将代入,得到
- 两边乘,取,得
- 两边乘,取,得
最后,可得
例 22.
例 23.
例 24.
- 乘,取,得
- 然后,可得
,
若,则
例 25.
三角函数有理式的不定积分
由三角函数与常数经过有限次四则运算所构成的式子,为三角函数有理式。
三角函数都可以由表示,因此三角函数有理式可以记为
对用万能公式,则
则
例 26.
例 27.
,则
,则
万能代换会将有理式的幂次提高,计算量通常会比较大。可以考虑如下的代换:
- 若, 令;
- 若, 令;
- 若, 令;
例 28. []
例 29. []
例 30. []
例 31. []
令,则有
令,则
令,则
令,
例 32. [] ,
例 33. []
例 34. []
若不满足上述的三个条件,则可以对函数做如下分解
分解出的三个部分, 分别满足三个条件
解. 例如:
递推式
例 35.
例 36.
例 37.
得到
得到
例 38. [复习题] 形态
注意到
上式两边积分后,可以得到的递推公式
- ,
- ,
- ,
当为整数时,递推后,最终化为以下积分
解. 利用递推公式,
例 39. [例4.2.28] ,
例 40. ,,
例 41. ,,
例 42. ,
,,
,
令
- 或时,即,有
- ,有
其中
可有理化的初等函数的不定积分
仍然记为关于变量, 的有理函数,即是, 和常数经有限次四则运算得到的。
- 型积分
- 形如的表达式的积分,其中没有相等的根。
对于 型积分,其中,为常数。
令,则
这样,
为关于的有理函数积分。
例 43.
例 44.
例 45.
例 46.
解. 可以看出,上面是形态的积分,令即可。
例 47. ,令,有
例 48. ,令,有
例 49. ,令,有
形如的表达式的积分,其中没有相等的根。
可以用Euler代换:
- ,
- ,
-
例 50.
例 51.
例 52.
双曲代换
- 型,可以用双曲余弦代换
- 型,可以用双曲正弦代换
或令
例 53.
例 54.
无理函数
降幂
若为次多项式,,则有
其中为次多项式,为常数
例 55.
解. 令则
杂题
例 56.
例 57.
例 58.
例 59.
例 60.
例 61.
例 62.
令,则
令,则
令,则,有
利用前面的结论,可以得到如下递推关系
- ,
- ,
- ,
例 64.
例 65.
三角函数化
例 66.
例 67.
令,则
令,则有
, ,
移项后,有
从而,当时,有
当时,有
,且或时,有
2. 若是一个次的多项式, 记,则有
其中是次多项式,是数。
例 68.
例 69.
例 70.
例 71.
例 72.
例 73.
例 74.
令,,
令,可以把同时有理化