积分专题复习
第二部分 · 第 2 份 · 2024.01.13 · 21 页 · Integration: A Focused Review
通常来说,单变量积分是数学分析B1课程的一个难点,不仅是直接的积分计算有难度,还有利用积分定理(如第一、第二积分中值定理)构造函数进行证明、积分值作为级数各项考虑其收敛性等题型. 不过近年试题中并未出现过或方法或结果复杂的不定积分积分计算题1,本篇会更着眼于考试中出现的题型,尽可能覆盖所有需要的技巧. 至于证明类题2,考试中不会出现单独考察利用积分定理的构造证明(和微分学考察微分中值定理不一样),而结合其他知识点出现时会放在该知识点的讲义中进行讲解. 那么,我们开始吧.
1不定积分
1.1 要点与技巧
- 1.
不定积分的结果别忘了待上积分常数C.
- 2.
换元法常用微分关系3:
exdx=d(ex),xdx=d(lnx),
(1)sinxdx=−d(cosx),cosxdx=d(sinx),
(2)cos2xdx=d(tanx),sin2xdx=−d(cotx),
(3)1+x2dx=d(arctanx),1−x2dx=d(arcsinx). (4)
更一般地,x可换为任一变量或函数,有如上形式的表达式均可作如此微分变换,如
1+(arctanx)211+x2dx=1+(arctanx)2d(arctanx)=d(arctan(arctanx)).
(5) - 3.
换元法技巧:
- (a).
原则上只要碰到反三角函数,都可以将其整体作变量代换,以消去对表达式作分部积分或分离等操作时不容易看出性质的反三角函数. 当然形式非常明显的如1−x2arcsinx可省略代换这一步.
- (b).
三角函数、反三角函数作用的表达式原则上都可以作整体变量代换,如sinx1中可令u=1/x,以便将其化为容易分析性质的三角函数或为上一条提到的变量代换做准备.
- (c).
牢记三角恒等式cos2x1=1+tan2x,这一公式常用于配三角函数有理式:
dx=cos2x⋅cos2xdx=1+tan2xd(tanx)
(6)
以及常见平方和差结构的换元(a>0):
x2+a2⟶x=asinht 或 x=atant,
(7)x2−a2⟶x=acosht 或 x=costa,
(8) - (d).
若根号内的表达式为分式线性函数4或形如ex−1,lnx,tanx的单调函数,可将表达式带根号整体换元,如[3]2x+1=u,则x=(u3−1)/2. 若x的次数为不小于3的奇数或既约分数,通常会两步换元——先令t=xn,再令u为带根号的整体表达式,如
x+1dx=t=xt+12tdt=u=t+1u2(u2−1)⋅2udu. (10)
- 4.
分部积分法技巧:考试中常见形式为有理函数与作用在x(而非含x的表达式)上的指数函数、对数函数、(反)三角函数的乘积,特征较明显,所以这类题的关键在于分辨其结构. 通常来说,若为对数函数和反三角函数则先对有理函数积分,若为指数函数和三角函数则先对指数函数或三角函数积分.
- 5.
有理函数积分技巧:
- (a).
首先需要比较分母与分子的次数,将有理分式拆分为整式和分式.
- (b).
拆解分式的基本原则是能用直接看出来的分解方法就用,比如将用如下几种快速拆解的方法组合,待定系数法永远是下下策.
- (c).
最简单的形式为分母的多项式可在实数域上因式分解若干形如(xn+a)(各项次数n相同)的多项式,如
x2−3x−41=(x−4)(x+1)1=51(x−41−x+11),
(11)x3−4x2+5x−21=(x−1)2(x−2)1=x−11(x−21−x−11)
=(x−21−x−11)−(x−1)21,
(12)x4+5x2+61=(x2+2)(x2+3)1=x2+21−x2+31.
(13) - (d).
若分母含xn项且n不低于剩余分解因式的最高次数,则可利用此项进行上一条提到的配项操作.
- (e).
对于k>−2,牢记如下形式的分解:
x4n−kx2+11=(x2n+1)2−(k+2)x2n1
=(x2n+k+2xn+1)(x2n−k+2xn+1)1. (14) - (f).
对于三角函数有理分式,视sinx,cosx为同次,则视tanx为常数时,若每一含正弦或余弦的项内各项次数只差偶数次(如1+cos2x+sin4xtanx,而1+sinx则不满足),则可比较分母与分子的次数差. 若差偶数次,则可利用三角恒等式1/cos2x=1+tan2x以及dx/cos2x=d(tanx)将其化为关于tanx的有理分式,作换元u=tanx后化为有理分式积分,如
∫cos4x+sin2xdx=∫1+tan2x(1/cos2x)1/cos2xcos2xdx
=u=tanx∫1+u2(1+u2)1+u2du.
(15)
若差奇数次,则将提供奇数次项的因子并入微分,再将微分表达式换元,如
cos4x+sin2xsin3xdx=−cos4x+sin2xsin2xd(cosx)=u=cosxu4+(1−u2)u2−1du.
(16) - (g).
若三角函数有理分式不满足上一条的条件,则考虑将其化为sinx,cosx之一的有理分式. 除此之外,还有下下策,即利用万能公式
cosx=1+t21−t2,sinx=1+t22t,tanx=1−t22t.
(17)
将表达式换为关于t的有理分式,其中t=tan(x/2).
1.2 习题讲解
1.2.1 换元法计算不定积分
- 1.
∫ex+1e3x+1dx.
- 2.
∫tan2xdx.
- 3.
∫1+cos2x1+cos2xdx.
- 4.
∫x21sinx1dx.
- 5.
∫1+sinx+cosxcosx−sinxdx.
- 6.
∫1+x2arctanxdx.
- 7.
∫x1−x2dx.
- 8.
∫x(1+x)dx.
- 9.
∫1+x2arctan(1/x)dx.
- 10.
∫1+xlnx1+lnxdx.
- 11.
∫ex−2dx.
- 12.
∫x2+a2dx.
- 13.
∫(x2−a2)3/2dx.
- 14.
∫a2−x2x2dx.
- 15.
∫1+x+11dx.
- 16.
∫[3]2x+1x+2dx.
解
- 1.
∫ex+1e3x+1dx=∫[(ex)2−(ex)+1]dx=21e2x−ex+x+C.
- 2.
∫tan2xdx=∫(cos2x1−1)dx=tanx−x+C.
- 3.
∫1+cos2x1+cos2xdx=21∫(cos2x1+1)dx=21(tanx+x)+C.
- 4.
∫x21sinx1dx=−∫sinx1d(x1)=cosx1+C.
- 5.
∫1+sinx+cosxcosx−sinxdx=∫1+sinx+cosxd(1+sinx+cosx)=ln∣1+sinx+cosx∣+C.
- 6.
∫1+x2arctanxdx=∫arctanxdarctanx=21(arctanx)2+C.
- 7.
∫x1−x2dx=−21∫1−x2d(1−x2)=−31(1−x2)3/2+C.
- 8.
∫x(1+x)dx=2∫1+(x)2dx=2arctanx+C.
- 9.
∫1+x2arctan(1/x)dx=−∫1+(1/x)2arctan(1/x)d(x1)=−21(arctanx1)2+C.
- 10.
∫1+xlnx1+lnxdx=∫1+lnxd(1+xlnx)=ln∣1+xlnx∣+C.
- 11.
令u=ex−2,则x=ln(u2+2),从而
∫ex−2dx=∫u⋅u2+22udu=2∫(1−u2+22)du =2ex−2−22arctan2ex−1+C. (18) - 12.
令x=asinht,则t=arcsinh(x/a),从而
∫x2+a2dx=∫acosht⋅acoshtdt=a2∫21+cosh2tdt =4a2(2t+sinh2t)+C=2a2(t+sinht1+sinh2t)+C =21[a2ln(ax+1+a2x2)+xx2+a2]+C. (19) - 13.
令x=a/cost,则
∫(x2−a2)3/2dx=∫a3tan3t1(−cos2tadt)=−a21∫sin3tdsint
=2a2sin2t1+C=2a2(x2−a2)x2+C.
(20) - 14.
令x=asint,则t=arcsin(x/a),从而
∫a2−x2x2dx=∫acosta2sin2t⋅acostdt=a2(2t−41sin2t)+C =21(a2arcsinax−xa2−x2)+C. (21) - 15.
令u=x+1,则x=u2−1,从而
∫1+x+1dx=∫1+u2udu=2(u−ln∣1+u∣)+C=2(1+x−ln1+x+1)+C. (22) - 16.
令u=[3]2x+1,则x=(u3−1)/2,从而
∫[3]2x+1x+2dx=∫u(u3−1)/2+2⋅23u2du=43∫(u4+3u)du =203(2x+1)5/3+89(2x+1)2/3+C.
(23)
1.2.2 分部积分法计算不定积分
- 1.
∫x2lnxdx.
- 2.
∫x2cos5xdx.
- 3.
∫x2exdx.
- 4.
∫xarcsinxdx.
解
- 1.
∫x2lnxdx=3x3lnx−31∫x2dx=9x3(3lnx−1)+C.
- 2.
对三角函数积分:
∫x2cos5xdx=5x2sin5x−52∫xsin5xdx
=5x2sin5x+252xcos5x−252∫cos5xdx
=1251[(25x2−2)sin5x+10xcos5x]+C.
(24) - 3.
∫x2exdx=x2ex−2∫xexdx=(x2−2x)ex+2∫exdx=(x2−2x+2)ex+C.
- 4.
对有理函数积分后换元:
∫xarcsinxdx=2x2arcsinx−21∫1−x2x2dx =x=sint2x2arcsinx−21∫sin2tdt
=2x2arcsinx−41(t−sintcost)+C
=41[(2x2−1)arcsinx+x1−x2]+C. (25)
1.2.3 有理函数或三角函数有理式的不定积分
- 1.
∫x2+x−2dx.
- 2.
∫x2+1x4dx.
- 3.
∫x3−xx3+1dx.
- 4.
∫(x2+1)(x2+x)dx.
- 5.
∫(x+1)2(x2+x+1)xdx.
- 6.
∫x8+1x5−xdx.
- 7.
∫(x8+1)2x15dx.
- 8.
∫sinx(1+cosx)1+sinxdx.
- 9.
∫cosxsin5xdx.
- 10.
∫sinx+cosxsin2xcosxdx.
- 11.
∫sinx+cosxsinxcosxdx.
- 12.
∫1+sin2xsin2xdx.
- 13.
∫2sinx+sin2xdx.
- 14.
∫asinx+bcosxcosxdx (a2+b2=0).
解
- 1.
∫x2+x−2dx=∫(x+2)(x−1)dx=31∫(x−11−x+21)=31lnx+2x−1+C.
- 2.
∫x2+1x4dx=∫(x2−1+x2+11)dx=3x3−x+arctanx+C.
- 3.
∫x3−xx3+1dx=∫x(x−1)x2−x+1=∫(1+x−11−x1)dx=x+ln1−x1+C.
- 4.
逐项拆解:
∫(x2+1)(x2+x)dx=∫x2+11(x1−x+11)dx
=∫[(x1−x2+1x)−21(x+11−x2+1x−1)]dx
=ln∣x∣−21ln(x2+1)−21ln∣1+x∣+41ln(1+x2)−21arctanx+C
=−41ln(1+x21)(1+x1)2−21arctanx+C.
(26) - 5.
将分母拆解:
∫x8+1x5−xdx=∫(x4−2x2+1)(x4+2x2+1)x(x4−1)dx =21∫x(x4−2x2+12x2−1−x4+2x2+12x2+1)dx =21⋅42[∫x4−2x2+1d(x4−2x2+1)−∫x4+2x2+1d(x4+2x2+1)] =82lnx4+2x2+1x4−2x2+1+C. (27) - 6.
先将其拆解为关于(x8+1)的整式+分式的形式:
∫(x8+1)2x15dx=∫[x8+1x7−(x8+1)2x7]dx
=81ln(x8+1)+81x8+11+C.
(28) - 7.
非奇次也非偶次甚至非齐次,利用二倍角公式后可化为偶次:
∫sinx(1+cosx)1+sinxdx=x=2u∫2sinucosu⋅2cos2u(cosu+sinu)2⋅2du
=41(tan22x+4tan2x+2lntan2x)+C. (29) - 8.
可化为关于cosx的多项式:
∫cosxsin5xdx=−∫cosx(1−cos2x)2dcosx=−41cos4x+cos2x−ln∣cosx∣+C.
(30) - 9.
偶次,因此
∫sinx+cosxsin2xcosxdx=∫(1+tanx)(1+tan2x)2tan2xdtanx
=u=tanx∫(1+u)(1+u2)2u2du
=41∫[u+11−u2+1u−1+2(u2+1)2u−1]du
=41ln∣1+u∣−81ln(1+u2)+4arctanu−4(u2+1)1−21∫(u2+1)2du
=81ln(sinx+cosx)2+4x−4cos2x−21∫cos2xdx
=81[2ln∣sinx+cosx∣−(sin2x+cos2x)]+C.
(31) - 10.
奇次,但正弦和余弦均提供奇次,因此用万能公式换元:t=tan(x/2),可得
∫sinx+cosxsinxcosxdx=∫1+2t−t22t(1−t2)t2+11⋅1+t22dt=4∫(t2−2t−1)(t2+1)2t(t2−1)dt
=∫[−t2+11+2(t2+1)2t+1+t2−2t−11]dt
=−arctant−t2+11+2∫(t2+1)2dt+∫(t−1)2−2dt
=−2x−cos22x+∫cos22xdx+221lnt−1+2t−1−2 =2sinx−cosx+221lntan(x/2)−1+2tan(x/2)−1−2+C. (32) - 11.
偶次,因此
∫1+sin2xsin2xdx=∫1+(1+cot2x)11+cot2x−dcotx
=∫(2+cot2x1−1+cot2x1)dcotx
=21arctan2cosx−arctancotx+C =x−21arctan(2tanx)+C′. (33) - 12.
非奇次也非偶次甚至非齐次,利用二倍角公式后可化为偶次:
∫2sinx+sin2xdx=∫2sinx(1+cosx)dx=∫8sin(x/2)cos3(x/2)dx
=−41∫sin2(x/2)cos3(x/2)dcos(x/2)=u=cos(x/2)−41∫(1−u2)u3du
=−41∫[21(u1+1−u1)+21(u1−1+u1)+u31]du
=−81ln1−u2u2+8u21+C=8cos2(x/2)1+41lntan2x+C. (34) - 13.
偶次,因此
∫asinx+bcosxcosxdx=∫(b+atanx)(1+tan2x)d(tanx)=u=tanx∫(b+au)(1+u2)du
=a2+b21∫(b+aua2+1+u2b−au)du
=a2+b21[aln∣b+au∣+barctanu−2aln1+u2]+C =a2+b21[aln∣b+atanx∣+bx+aln∣cosx∣]+C
=a2+b2aln∣asinx+bcosx∣+bx+C.
(35)
1.2.4 综合练习
- 1.
∫1+exdx.
- 2.
∫x4+x2+1x2−1dx.
- 3.
∫x4+x6dx.
- 4.
∫ex−2xexdx.
- 5.
∫(1+tanx)sin2xdx.
- 6.
∫x+1x−1x2dx.
- 7.
∫cosxcos2xcos3xdx.
- 8.
∫cos4x+sin4xdx.
- 9.
∫x+1dx.
- 10.
∫1−xxxdx.
解
- 1.
∫1+exdx=∫1+e−x−d(e−x)=−ln(1+e−x)+C.
- 2.
注意到分母是x4n−kx2n+1的类型,因此
∫x4+x2+1x2−1dx=∫(x2−x+1)(x2+x+1)x2−1dx
=∫[(x−1/2)2+(3/2)2x−1/2−(x+1/2)2+(3/2)2x+1/2]dx =21lnx2+x+1x2−x+1+C.
(36) - 3.
原积分为:
∫x4+x6dx=∫x21(x21−1+x21)dx=∫(x41−x21+1+x21)dx
=−3x31+x1+arctanx+C.
(37) - 4.
注意到根号内为形如ex的单调函数,因此带根号整体代换:u=ex−2,则
∫ex−2xexdx=∫u(u2+2)ln(u2+2)⋅u2+22udu =2∫ln(u2+2)du=2uln(u2+2)−4∫u2+2u2du
=2uln(u2+2)−4(u−2arctan2u)+C =2(x−2)ex−2+42arctan2ex−1+C. (38) - 5.
偶次,因此
∫(1+tanx)sin2xdx=∫1+cotxcotx⋅[−d(cotx)]=ln∣1+cotx∣−cotx+C.
(39) - 6.
注意到根号内为分式线性函数,因此带根号整体代换:u=x+1x−1,则
∫x+1x−1x2dx=∫u(1+u21−u2)2⋅(1−u2)24udu=4∫(1+u2)2u2du =u=tant4∫1/cos4ttan2tcos2tdt=4∫sin2tdt
=2(t−sintcost)+C=2(arctanu−1+u2u)+C
=2arctanx+1x−1−1−x21+C. (40) - 7.
由积化和差公式,
cosxcos3x=21(cos2x+cos4x)=21(2cos22x+cos2x−1),
(41)
因此
∫cosxcos2xcos3xdx=21∫(2cos32x+cos22x−cos2x)dx.
(42)
再利用二倍角公式和三倍角公式5降次扩角:
∫cosxcos2xcos3xdx=41∫(3cos2x+cos6x)dx+41∫(1+cos4x)dx−41sin2x
=4x+81sin2x+161sin4x+241sin6x+C.
(43) - 8.
偶次,因此
∫cos4x+sin4xdx=∫1+tan4x(1+tan2x)21+tan2xd(tanx)
=u=tanx∫(1−2u+u2)(1+2u+u2)1+u2du =21∫[(1/2)2+(u−1/2)21+(2)2+(u+1/2)21]du =22[arctan(2u−1)+arctan(2u+1)]+C =21arctan1−u22u+C=21arctan2tan2x+C. (44) - 9.
注意到根号内为单调函数,因此带根号整体代换:u=x+1,则
∫x+1dx=∫u1⋅2u(u2−1)du=32u3−2u+C - 10.
先将x整体代换为t:
∫1−xxxdx=∫1−t3t⋅2tdt=−32∫1−t3d(1−t3) =−341−t3+C=−341−x3/2+C. (46)
2定积分
2.1 要点与技巧
- 1.
积分的重要性质:
- (a).
若在[a,b]上恒有f(x)⩽g(x),则∫abf(x)dx⩽∫abg(x)dx. 特别地,若两者积分值相等,则f(x)≡g(x).
- (b).
- i.
积分第一中值定理:若f(x)∈C[a,b],则∃ξ∈(a,b),使得∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a).
- ii.
积分第二中值定理:若f(x),g(x)∈C[a,b]且g(x)在[a,b]上不变号,则∃ξ∈(a,b),使得
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx.
(47)
- (c).
∫abf(x)dx⩽∫ab∣f(x)∣dx.
- (d).
对于连续的f(x),积分值∫−aaf(x)dx在f(x)为奇函数时取0,在f(x)为偶函数时取2∫0af(x)dx.
- (e).
在R上连续且周期为T的函数f(x),满足
∫aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx,∀a∈R.
(48)
- 2.
变上限积分求导:
F(x)=∫α(x)β(x)f(t)dt⟹F′(x)=β′(x)f(β(x))−α′(x)f(α(x)).
(49)
考试中也可能会碰到f(t)中含变量x的情况,即f(t)实际上应当写成f(x,t). 在数学分析B2的含参变量的积分的章节中,我们会学习如下求导公式:
⟹F′(x)=β′(x)f(x,β(x))−α′(x)f(x,α(x))+∫α(x)β(x)∂x∂f(x,t)dt.
(50)
如果了解的话直接用应该没什么问题(改卷助教肯定知道),而考虑到出题难度,现阶段我们还可以采取的技巧是将含x的项整体换元成u,将x并入微分变量,从而能从积分表达式中提出,如
∫01f(xy)dy=u=xy∫0xf(u)⋅xdu=x1∫0xf(u)du,
(51)
从而化为我们能直接求导的形式.
- 3.
往年题常考变上限积分的极限,其中一种形式是“可用L'Hospital法则化简”的形式,其基本思路就是通过该法则与变上限积分求导法则消去积分号,从而将问题转化为最开始学习的函数极限的计算. 有些题分母可先用等价无穷小换成xn再求导,不能换的求导后通常有一部分可以代换,另一部分求极限时自动变为常数,如cos2x在x→0时.
- 4.
往年题考察积分极限的另一种形式是“求和型极限”的形式,并且这类题通常用Stolz定理无法解决. 这时需要结合积分的Riemann和定义,先提出1/n作为dx,然后将求和写成代数表达式的求和形式(带求和号的形式),通常出现的是k/n的形式,这样将k/n视为x,通常k从0或1到(n−1)或n求和,即积分上下限分别为0和1. 在此基础上写下积分表达式,计算即可.
- 5.
对于难以求解原函数的定积分,要么是将其分段计算,要么一定会利用定积分与被积区间之间形成的某种对称性,常见的如
sin(π−x)=sin(x),cos(−x)=cosx,
(52)sin(2π−x)=cosx,1+e−x1=1+exex=1−1+ex1,
(53)
以及习题中出现过的容易辨别但不多见的
ln1−x1+x=−ln1+x1−x=−ln1−(−x)1+(−x),arctanx1=2π−arctanx.
(54) - 6.
几何量计算的根本公式:
- (a).
弧长:弧元
ds=(dx)2+(dy)2=(dρ)2+(ρdφ)2, (55)
后者为极坐标系中的公式. 这两个关系都很容易从几何上看出来,并且不限于y能直接写成x的函数、ρ能直接写成φ的函数,可以是两个变量关于某一参数t的表达式,如直角系下圆周方程可写为关于方位角θ的参数式:{x(θ)=Rcosθ,y(θ)=Rsinθ.
- (b).
平面图形面积:直角系下面元
y(x)和x(y)哪个形式简单且能保证自身一阶导的连续性通常用哪个,如∣x∣从[−1,1]上积分可用∫01[y−(−y)]dy=1. 同样地,这里x,y可以是某个参数t的函数. 极坐标系下的面元dA=ρ2dφ/2(原点在边界上的平面图形).
- (c).
旋转体体积:弄清旋转轴,比如绕x轴旋转,那么旋转半径就是∣y∣,将其细分成薄圆片,体积元为
后续讨论同上.
- (d).
旋转体侧面积:弄清旋转轴,并且这里分割后不能完全将其视为薄圆片,因为边界长度(第一条讨论过的弧长)ds与薄圆片高dx为同阶小量,这意味着积分后数值有差异. 正确的侧面积元为6
dS=21[2πy+2π(y+dy)]ds=2πy(dx)2+(dy)2. (58)
2.2 习题讲解
2.2.1 变上下限积分的导数计算
- 1.
∫0x2sint2dt.
- 2.
∫x11+t2+cos2tdt.
- 3.
∫xx2e−t2dt.
- 4.
sin(∫0xsin(∫0ysint2dt)dy).
- 5.
设f(x)在[0,+∞)上为正值连续函数. 证明:当x>0时,函数
G(x)=∫0xtf(t)dt/∫0xf(t)dt
(59)
单调递增.
解
- 1.
2x⋅sinx4.
- 2.
−1+x2+cos2x1.
- 3.
2xe−x4−e−x2.
- 4.
cos(∫0xsin(∫0ysint2dt)dy)⋅sin(∫0xsint2dt).
- 5.
记F(x)=∫0xf(t),则
G′(x)=F2(x)1[xf(x)∫0xf(t)dt−f(x)∫0xtf(t)dt]=ΔF2(x)f(x)g(x),
(60)
继续研究g(x)=x∫0xf(t)dt−∫0xtf(t)dt的单调性:
g′(x)=∫0xf(t)dt+xf(x)−xf(x)=∫0xf(t)dt.
(61)
由于x>0且f(x)在[0,+∞)上非负,因此g′(x)⩾0,即g(x)单调递增,因此g(x)⩾g(0)=0,从而G′(x)⩾0,即G(x)单调递增.
2.2.2 积分极限与求和型数列极限的计算
- 1.
x→0limx41∫0xsint3dt.
- 2.
x→0limsin3x1∫0tanxarcsint2dt.
- 3.
n→∞lim(n21+n2−121+⋯+n2−(n−1)21).
- 4.
n→∞limnp+11p+2p+⋯+np (p>0).
- 5.
设ak=(1−nk)a+nkb (0<a<b,k=1,2,⋯,n),计算:
- (a).
n→∞limna1+a2+⋯+an.
- (b).
n→∞lim[n]a1a2⋯an.
- 6.
n→∞lim[n+1sin(π/n)+n+1/2sin(2π/n)+⋯+n+1/nsinπ].
解
- 1.
由L'Hospital法则,
x→0limx41∫0xsint3dt=x→0lim4x3sinx3=41.
(62) - 2.
由L'Hospital法则,
x→0limsin3x1∫0tanxarcsint2dt=x→0limx31∫0tanxarcsint2dt
=x→0lim3x2arcsin(tan2x)⋅1/cos2x=31.
(63) - 3.
这是求和型极限,因此向着n1k=1∑nf(nk)的形式化简:
n→∞lim(n21+n2−121+⋯+n2−(n−1)21)=n→∞limn1k=0∑n−11−(k/n)21 =∫011−x2dx=arcsin1=2π. (64) - 4.
这是求和型极限,因此向着n1k=1∑nf(nk)的形式化简:
n→∞limnp+11p+2p+⋯+np=n→∞limn1k=1∑n(nk)p=∫01xpdx=p+11.
(65) - 5.
- (a).
这是求和型极限,因此向着n1k=1∑nf(nk)的形式化简:
n→∞limn1k=1∑nak=n→∞limn1k=1∑n[a+(b−a)nk]=∫01[a+(b−a)x]dx=2a+b.
(66) - (b).
为了将求积转化成求和,将待证表达式利用公式A=elnA (A>0)改写:
n→∞lim[n]k=1∏nak=n→∞limexp{n1k=1∑nln[a+(b−a)nk]} =u=a+(b−a)xexp[b−au(lnu−1)ab]
- 6.
这里并没有直接的k/n因子,因此先进行放缩:
n+1/k1<n1⟹n→∞limn1k=1∑nsinnkπ=∫01sinπxdx=π2,
(68)n+1/k1⩾n+11⟹n→∞limn+11k=1∑nsinnkπ=n→∞limn+1n⋅π2=π2.
(69)
由夹逼准则,原积分极限为2/π.
2.2.3 易求原函数定积分的计算
- 1.
∫0ln21−e−2xdx.
- 2.
∫01xarcsinxdx.
- 3.
∫01x3exdx.
- 4.
∫0ax+a2−x2dx.
- 5.
∫0π/4tanxdx.
- 6.
∫0π/2a2sin2x+b2cos2xdx.
解
- 1.
注意到根号内为形如ex的单调函数,因此带根号整体代换:u=1−e−2x,则
∫0ln21−e−2xdx=∫03/2u⋅1−u2udu=∫03/2[21(1−u1+1+u1)−1]du =21ln1−3/21+3/2−23=ln3−13+1−23=ln(2+3)−23. (70) - 2.
有理函数乘反三角型分部积分,因此先对有理函数积分:
∫01xarcsinxdx=2x2arcsinx∣01−21∫011−x2x2dx =x=sint4π−21∫0π/2costsin2t⋅costdt
=4π−21(2t−41sin2t)0π/2=8π. (71) - 3.
有理函数乘指数型分部积分,因此先对指数函数积分:
∫01x3exdx=x3ex01−3∫01x2exdx=e−3x2ex01+6∫01xexdx =−2e+6xex∣01−6∫01exdx=4e−6(e−1)=6−2e.
(72) - 4.
出现a2−x2的结构,考虑三角换元x=asint,则
∫0ax+a2−x2dx=∫0π/2a(sint+cost)acostdt=∫0π/2(1+tant)(1+tan2t)d(tant) =u=tant∫0+∞21(1+u1+1+u21−u)du
=21[ln∣1+u∣+arctanu−21ln(1+u2)]0+∞ =41ln1+u2(1+u)20+∞+21⋅2π=4π. (73) - 5.
注意到根号内为形如ex的单调函数,因此带根号整体代换:u=tanx,则
∫0π/4tanxdx=∫01u⋅1+u42udu=21∫01u(u2−2u+11−u2+2u+11)du =21∫01[(u−1/2)2+(1/2)2(u−1/2)+1/2−(u+1/2)2+(1/2)2(u+1/2)−1/2]du =21[21lnu2+2u+1u2−2u+1+arctan(2u−1)+arctan(2u+1)]01 =21[21ln2+12−1+arctan(2−1)+arctan(2+1)] =221(π+ln2+12−1)=221[π+2ln(2−1)]. (74) - 6.
偶次,因此
∫0π/2a2sin2x++b2cos2xdx=∫0π/2b2+a2tan2xd(tanx)=∣ab∣1arctan∣b∣∣a∣tanx0π/2=2∣ab∣π. (75)
2.2.4 难求原函数定积分的计算
- 1.
∫−34[x]dx.
- 2.
∫−11cosxln1−x1+xdx.
- 3.
∫−π/2π/21+excos3xdx.
- 4.
∫−11e∣x∣arctanexdx.
解
- 1.
当n⩽x<n+1时[x]=n,因此
∫−34[x]dx=n=−3∑3∫nn+1ndx=n=−3∑3n=0.
(76) - 2.
注意到区间是对称的,因此考虑被积函数是否存在奇(偶)对称性:
cos(−x)ln1−(−x)1+(−x)=cosx⋅(−ln1−x1+x)=−cosxln1−x1+x,
(77)
即被积函数为奇函数,因此原积分值为0.
- 3.
注意到区间是对称的,因此考虑被积函数是否存在奇(偶)对称性:
1+e−xcos3(−x)=1+exexcos3x,
(78)
因此
∫−π/2π/21+excos3xdx=∫0π/21+excos3xdx+∫0π/21+exexcos3xdx
=∫0π/2cos3xdx=∫0π/24cos3x+3cosxdx
- 4.
注意到区间是对称的,因此考虑被积函数是否存在奇(偶)对称性:
e∣−x∣arctane−x=e∣x∣(2π−arctanex),
(80)
因此
∫−11e∣x∣arctanexdx=∫01e∣x∣⋅2πdx=2π(e−1).
(81)
2.2.5 几何量的计算(弧长、面积、体积)7
- 1.
计算弧长:
- (a).
星形线{x=acos3t,y=asin3t (0⩽t<2π,a>0).
- (b).
Archimedes螺线:r=aθ (0⩽θ⩽2π).
- 2.
计算图线围成的平面图形的面积:
- (a).
双纽线r2=a2cos2θ (−4π⩽θ<4π 或 43π<θ⩽45π).
- (b).
{x=t−sint,y=1−cost (0⩽t⩽2π)及x轴.
- 3.
计算旋转体体积:
- (a).
{x=t−sint,y=1−cost (0⩽t⩽2π)绕x轴旋转一周.
- (b).
半径为R、高为h的球缺.
- 4.
计算旋转体侧面积:
- (a).
y=acoshx (0⩽x⩽a)绕x轴.
- (b).
r=a(1+cosθ) (a>0)绕极轴.
解
- 1.
- (a).
弧长:
s(L)=∫(dx)2+(dy)2=∫02π[x′(t)]2+[y′(t)]2dt =∫02π(−3acos2tsint)2+(3asin2tcost)dt =3a∫02π∣sintcost∣dt=12a∫0π/2sintcostdt=6a.
(82) - (b).
弧长:
s(L)=∫02π(dr)2+(rdθ)2=a∫02π1+θ2dθ =θ=sinhxa∫0x0cosh2xdx=a(2x+41sinh2x)0arcsinh 2π =2a(2π1+4π2+arcsinh 2π)=a[π1+4π2+21ln(2π+1+4π2)]. (83)
- 2.
- (a).
平面图形面积:
A(D)=∫21r2dθ=2⋅21∫−π/4π/4a2cos2θdθ=a2.
(84) - (b).
平面图形面积:
A(D)=∫ydx=∫02π(1−cost)⋅(1−cost)dt
=∫02π(1−2cost+21+cos2t)dt
- 3.
- (a).
旋转体体积:
V(Ω)=∫πy2dx=π∫02π(1−cost)2⋅(1−cost)dt
=π∫02π(1−3cost+321+cos2t−4cos3t+cost)dt
- (b).
球缺任一轴截面方程可写为y(x)=R2−x2 (R−h⩽x⩽R),因此旋转体体积:
V(Ω)=∫πy2dx=π∫R−hR(R2−x2)dx=π[R2h−3R3−(R−h)3]
=3π[3R2h−(3R2h−3Rh2+h3)]=πh2(R−3h).
(87)
作为验证,若h=R,则为半球面,其体积恰为V(Ω)=2πR3/3.
- 4.
- (a).
旋转体侧面积:
S(Ω)=∫2πyds=2π∫0aacoshx1+a2sinh2xdx =u=asinhx2π∫0asinha1+u2du =u=sinht2π∫0t0cosh2tdt=π(t0+sinht0cosht0)
=π[arcsinh(asinha)+asinha1+a2sinh2a] =π[asinha1+a2sinh2a+ln(asinha+1+a2sinh2a)]. (88)
其中t0=arctan(asinha).
- (b).
旋转体侧面积:
S(Ω)=∫2πyds=2π∫0π(rsinθ)(dr)2+(rdθ)2 =2π∫0πa(1+cosθ)sinθ⋅2acos2θdθ
=16πa2∫0πsin2θcos42θdθ
=−532πa2cos52θ0π=532πa2. (89)
2.2.6 综合练习
- 1.
计算下列积分:
- (a).
∫1/22(1+x−x1)ex+1/xdx.
- (b).
∫0nπx∣sinx∣dx (n为自然数).
- (c).
设f(x)=∫xx+2π(1+esint−e−sint)dt+1+x1∫01f(t)dt,求∫01f(x)dx.
- 2.
证明:
2n+21<∫0π/4tannxdx<2n1(n=1,2,⋯).
(90) - 3.
设f(x)处处连续,f(0)=0,且f′(0)存在. 记F(x)=∫01f(xy)dy,证明F(x)处处可导,并求出F′(x).
- 4.
设函数f处处连续,证明:
h→0limh1∫ab[f(x+h)−f(x)]dx=f(b)−f(a).
(91) - 5.
证明:x→+∞limx1∫0x∣sint∣dt=π2.
- 6.
设f(x)∈C[a,b]且在[a,b]上f(x)⩾0恒成立. 记F(x)=∫axf(u)du+∫bxf(u)du,证明:方程F(x)=0在(a,b)中有且仅有一个实根.
解
- 1.
- (a).
假定被积函数原函数形式为f(x)ex+1/x,则
dxd[f(x)ex+1/x]=[f′(x)+(1−x21)f(x)]ex+1/x=(1+x−x1)ex+1/x,
(92)
由第二项猜测f(x)=x,验证正确,因此
∫1/22(1+x−x1)ex+1/xdx=xex+1/x1/22=23e5/2. (93) - (b).
当nπ⩽x<(n+1)π (n∈N∗)时,∣sinx∣=(−1)nsinx,因此
∫0nπx∣sinx∣dx=k=0∑n−1∫kπ(k+1)π(−1)kxsinxdx
=k=0∑n−1(−1)k[−xcosx∣kπ(k+1)π+∫kπ(k+1)πsinxdx]
=k=0∑n−1(−1)k⋅(−1)k(2k+1)π=n2π.
(94) - (c).
记I=∫01f(x)dx,同时注意到esint−e−sint为奇函数且以2π为中心,因此
f(x)=∫xx+2π(1+esint−e−sint)dt+1+xI
=2π+∫−ππ(esint−e−sint)dt+1+xI
从而
I=∫01f(x)dx=2π+Iln2⟹I=1−ln22π.
(96)
- 2.
先将被积函数改写为可用tanx表示的有理函数积分:
∫0π/4tannxdx=∫0π/41+tan2xtannxd(tanx)=u=tanx∫011+u2undu.
(97)
显然在[0,1]上,2u⩽1+u2⩽2,因此
2(n+1)1=∫012undu<∫011+u2undu<∫012uundu=2n1.
(98) - 3.
希望含x的项仅出现在上下限而非被积函数中,因此记u=xy,则
F(x)=∫01f(xy)dy=x1∫0xf(u)du.
(99)
由于f(x)连续,故其可积,从而F(x)在x=0处处连续可导. 当x=0时,F(0)=∫01f(0)dy=0,因此
x→0limx−0F(x)−F(0)=x→0limx21[∫0xf(u)du−xf(0)]=x→0lim2xf(x)−f(0)=21f′(0),
(100)
因此F(x)在x=0处亦可导. 综上,F(x)在R上可导,且
F′(x)=xf(x)−x21∫0xf(u)du,∀x∈R.
(101) - 4.
希望含x的项仅出现在上下限而非被积函数中,因此在第一项中记u=x+h,则
∫abf(x+h)dx=∫a+hb+hf(u)du,
(102)
因此由L'Hospital法则及f(x)的连续性,
h→0lim∫ab[f(x+h)−f(x)]dx=h→0lim[f(b+h)−f(a+h)−0]=f(b)−f(a).
(103) - 5.
当nπ⩽t<(n+1)π (n∈N∗)时,注意到对于∀k∈N∗,均有
∫kπ(k+1)π∣sint∣dt=(−1)k∫kπ(k+1)πsintdt=(−1)k[(−1)k−(−1)k+1]=2,
(104)
又因为∣sint∣非负,故
2n=∫0nπ∣sint∣dt<∫0x∣sint∣dt<∫0(n+1)π∣sint∣dt=2(n+1),
(105)
因此
π2n+1n<x1∫0x∣sint∣dt<π2nn+1.
(106)
当x→+∞时,n→∞,由夹逼准则,
x→+∞lim∫0x∣sint∣dt=π2.
(107) - 6.
由于f(x)在[a,b]内非负,因此
F(a)=−∫abf(x)dx⩽0,F(b)=∫abf(x)dx⩾0.
(108)
由零点存在定理,∃x0∈[a,b],使得F(x0)=0. 下证x0唯一. 考虑F(x)的单调性:
F′(x)=f(x)+f(x)1⩾2>0⟹F(x)单调递增,
(109)
因此x0唯一. 综上,F(x)=0在(a,b)内仅有一个实根.