当前课程知识点:微积分(先修课) > 第六章 积分法与反常积分 > 6.1 换元积分法 > 6.1.1 换元积分法(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第六章
积分法与反常积分
第一节
换元积分法
在前面我们一定得到了
计算定积分的牛顿—莱布尼兹公式
在有了莱布尼兹公式之后
定积分的计算就转化为求被积函数的
一个原函数的问题
仅利用积分的线性运算性质
和基本积分公式
我们只能计算一些
最简单的函数的积分问题
因此
我们还需要进一步寻找
求原函数的其他方法
本章将介绍两种基本积分法
即换元积分法
和分部积分法
换原积分法由微分法中
复合函数的求导法则得到
而分部积分法由微分法中
函数乘积的求导法得到
在求原函数时
并不是所有初等函数的原函数
仍然是初等函数
即使是出等函数
有时候我们也不见得能求出它的表达式
但是 对有理函数来说
我们知道有理函数的原函数
一定是初等函数
而且我们一定能求出
它的原函数的初等表达式
求三角有理式的原函数问题
通过三角换元可以转化为有理函数
求原函数的问题
有理函数与三角有理式的积分
就是我们这章将要介绍的
两类特殊函数的积分
我们知道定积分
研究的只是有限(B区 音)介绍
关于有界函数的问题
该在许多理论和实际应用问题中
往往需要研究无穷区间
或者是无界函数的问题
这就需要将定积分的概念加以推广
反常积分
就是利用函数极限工具
通过变现定积分函数
将定积分研究的对象
推广到了无穷区间和无界函数中
这就是本章最后将要介绍的
反常积分问题
本讲将介绍求原函数时
最常用的基本积分法之一
也就是不定积分的第一换元积分法
我们首先介绍
不定积分的换元积分法
我们知道积分运算与微分运算
实际上是一对逆运算
我们将复合函数求导法则反过来
用于求积分就可以得到
所谓的换元积分法
换元积分法是我们计算
积分的最重要的方法
下面我们看下具体的过程
我们假设函数y等于Ghx
就是函数Gu与hx的复合函数
而且我们假设hx与Gu
都是可导函数
那么根据复合函数的链导法则
我们知道Ghx这个复合函数
关于x求导
就等于Gu关于u的导数
在hx这点取值
再乘上h关于x的导数
根据不定积分的定义
这样我们就知道
G′hx乘上hx的不定积分
就是Ghx加上C
如果我们记G′的导数就等于
小写的gu
那么我们知道gu它的不定积分
就等于Gu加上C
这个时候
我们上面得到的不定积分等式
也可以用小写的g表示成ghx
乘上h′x
它的不定积分就等于G与hx的复合
再加上C
我们看这两个等式
它的右端实际上就是u
只要写成hx
那么右端就是相等的
右端相等
当然左端也就相等
所以说我们只要把u用hx来表示
就会得到gu的不定积分
就得到ghx乘上h′x的积分
利用这个公式
我们用左边求出右边
得到的就是所谓的
第一还原积分公式
而由它的右边求出左边
得到的就是所谓的
第二还原积分公式
也就是说第一换元积分公式
实际上形式上是通过
引进中间变量的方式
将被积函数进行了变形
如果是通过引进新的自变量的方式
将被积函数进行变形
得到的就是第二还原积分公式
下面我们介绍
不定积分的第一换元积分法
首先我们看一下我们碰到的问题
和我们处理这个问题的想法
我们要求fx的不定积分
碰到的问题就是
这个不定积分
并不在基本积分公式之中
我们可以将被积函数fx
看作是两个因子的乘积
其中一个因子是hx的导数
另外一个因子是g和h的复合函数
如果是这样子的时候
我们形式上就可以用u等于hx来表示
这时候我们就会
得到一个新的不定积分
也就是gu它的不定积分问题
如果我们知道了gu的原函数
是大写的gu
这样我们将u与x的关系代入
就会得到了一个Ghx
加上C这么一个函数
实际上我们关心的问题就是
我们最后得到的这个函数
与我们一开始要求的
fx的不定积分之间
是什么关系
我们第一换元积分法
它整个的想法
也就是说将被积函数写成两个因子
其中一个因子
可以看成是一个函数的导数
这个过程我们一般叫凑微分
我们让u等于hx这个过程
自然我们称作是换元
最后我们求gu
的原函数Gu这个过程
当然是个积分过程
最后我们再将u与x的关系代回
这应该是一个再次换元的过程
我想这是上面我们处理这类问题
一个基本的想法
为了说明我们最后得到的这个函数
就是我们要求的fx的不定积分
我们给出下面一个定理
定理
如果gu它的原函数是Gu
而且hx可导
那么 ghx这个复合函数
再乘上h′x它的原函数
也就等于G跟hx的复合
这就是我们要证的
第一换元积分公式
我们先给出这个结论的证明
因为函数gu与hx都是可导函数
而且Gu的导数是小写的gu
所以根据复合函数的链导法则
我们知道Gu与hx的复合
关于x是可导的
而且它关于x的导数
就等于G的导数在hx这边取值
再乘上h′x
也就等于小写的ghx的复合
再乘上h′x
我们根据不定积分的定义
也就证明了ghx的复合
乘上h′x的最原函数
就是Ghx再加上常数C
这就是这个定理的证明
有了这个定理之后
我们也就相当于是证明了
在求不定积分ghx复合
乘上h′x时
如果我们让u表示hx
那么这个不定积分
它就可以表示成Gu的不定积分
也就是通过将hx用u表示这个方法
把我们原来的被积函数
变成了新的被积函数Gu
这就是所谓的第一还原积分公式
利用这个公式求不定积分的方法
就称作是不定积分的第一换元积分法
在这个方法里面
最关键的就是要看出
被积函数中的一个因子
正好是hx的导数
所以说这个方法
我们习惯上也称作是
凑法 或者是凑微分法
下面我们看几道具体的例体
例1 我们求
根下两倍x加1的不定积分
我们将根跟下两倍x
乘上dx
给它凑成二分之一倍的
根下两倍x加1
再乘上d两倍x加1
也就是我们把dx凑成2分之1倍的
d两倍x加1
这样我们将两倍x加1
用u表示
那么我们原来要求的这个不定积分
就应该等于2分之1倍的
u的2分之1次方的不定积分
而u的2分之1次方的原函数
是一个简单的逆函数的原函数问题
所以我们利用基本积分公式
就得到了它的原函数是
2分之1倍的U的2分之3次方加上C
最后我们将u
用2倍x加1代回
就得到了我们要求的不定积分
最后结果是3分之1倍的
括号里面2倍x加1起来的
2分之3次方加上常数C
这就是一个简单的
利用第一换元积分法
求不定积分的题目
在这里面
我们主要是根据被积函数的特点
将dx凑成了2分之1倍的d
2倍x加1
下面我们看第二道例题
我们求x乘上根下x方
加1的不定积分
在这我们将x乘上dx
凑成2分之1倍的dx方加1
那么我们如果用u来表示x方加1
我们要求的不定积分
就等于2分之1的u的2分之1次方的
不定积分
这样我们就可以得到
要求的最后结果是
3分之1倍的x平方加一
括起来的2分之3次方
再加上常数C
我们的第二道例题
与前面第一道例题情况是类似的
也就是说我们根据被积函数的特点
选择了将被积函数中
某个因子看作是某一个函数的导数
在第一个例题中
我们是将1作为一因子
把它看作是2分之1倍的括号里面
两倍x加1的导数
而在第二个例题中
我们是将x这个因子
看成了是2分之1倍的
x平方加1的导数
这是第二个例题
下面我们看第三道例题
我们求1除上a方
加x方它的不定积分
我们对这个被积函数
做个简单变形
就把要求的不定积分
转化成了a方分之1乘上1加
括号里面a分之x起来平方分1
它的不定积分
我们将a分之1dx
看作是da分之x
我们利用1加u方分之1的原函数
是arctanu这个公式
就得到了我们要求的不定积分是
a分之1乘上arctana分之x
再加上常数C
在利用第一换元积分公式
求不定积分时
如果我们比较熟悉了
在计算过程中
我们可以直接把某一部分
当做是一个整体变量
在例3中
比如说a分之x
我就把它当作是一个整体变量
而不见得非得要引进
一个新的记号来
下面看第四道例题
我们求e的sinx次方
乘上cosx的不定积分
我们知道cosx是sinx的导数
所以我们将原不定积分凑微分
就会得到e的sinxdsinx这个形式
如果我们让u就等于sinx
那么 我们要求的不定积分
就变成了e的u次方求不定积分
它的原函数当然是e的u次方
加上常数C
这样我们再将u与x的关系代回
就得到我们要求的不定积分
最后的结果是e的sinx次方加上C
第五道例题
我们来求正切和余切的不定积分
首先我们将正切函数
表示成sinx除上cosx
我们将sinx乘上dx
凑成负的dcosx
我们将cosx看作是一个整体
利用u分之1的原函数
是u的绝对值的自然对数
我们就得到了正切的不定积分
就是负的lncosx的绝对值
再加上常数C
类似的我们将余切函数
表示成cosx比上sinx
而cosx乘上dx
我们凑成是dsinx
将sinx当做是一个整体变量
我们就得到了余切函数的不定积分
是lnsinx的绝对值
加上常数C
我们来看第六道例题
我们求正割函数 它的不定积分
我们首先看第一种变形方式
我们将正割函数
用cosx分之1表示出来
为了将被积函数进行变形
我们分子分母同乘cosx
利用cos方等于1减sin方
我们就把被积函数
变成了cosx除上1减sin方x
cosx乘上dx
我们凑为dsinx
我们将sinx作为一个整体变量
把1减sin方x分之1
给它分成2分之1倍的
1加sinx分之1
加上1减sinx分之1
这样我们利用1加u分之1的原函数
和1减u分之1的原函数
就得到了我们要求的
正割函数的不定积分
就等于二分之一倍的
1加sinx除上1减sinx的自然对数
再加上任意常数C
我们将这个表现形式
作为一个变形
也就是在分子分母同乘
1加sinx
我们利用对数函数的运算性质
就将这个表达形式写成了
1加sinx的绝对值
除上cosx的绝对值的自然对数
再加上常数C
我们进一步就可以将
这个原函数表示成secx
再加上tanx的绝对值
取自然对数再加C
这就是正割函数 原函数的
常见的一种表示方式
下面我们来看这个题目的
第二种变形方式 解法2
我们仍然将正割函数
表示成cosx分之1
我们利用倍角公式
cosx可以看作是cos方2分之x
减掉sin方2分之x
我们将cos方2分之x剔出
我们进一步就可以将被积函数
变成sec方2分之x
除上一减tan平方2分之x
就遇到sin方2分之xdx
可以凑成是2倍的dtan2分之x
这样我们将tan2分之x
作为一个整体变量
我们就可以得到要求的不定积分
就是1+tan2分之x
除上一减tan2分之x的绝对值
取自然对数
再加上常数C
下面我们来介绍这个不定积分的
第三种变形方式
我们对secx同乘同除secx加上tanx
我们知道sec方是tanx的导数
而secx乘上tanx是sec的导数
也就是说这个时候这分子
正好可以凑成是dsecx
加上tanx
我们将这两个三角函数之和
作一个整体变量
我们就得到了要求的不定积分
就是secx加上tanx的绝对值
取自然对数
再加任意常数C
关于这题目
我们用三种不同的变形方式进行求解
主要是想告诉大家
我们求一个不定积分问题
主要的想法
就是通过适当的变形
把我们不在基本积分公式
之内的不定积分
转化成基本积分公式之内的
不定积分问题
至于如何转化
对不同的问题有不同的转化方法
既是对同一个问题
也可以是有不同的方法
同时 通过这三种不同的解法
希望大家还应该注意的
对同一个函数来说
它的原函数的表示
在形式上可能有一些差别
甚至有一些差别还非常大
这个是由不定积分的定义造成的
因为我们说一个不定积分等式
是否成立
我们主要关心是它等号右端
这个函数的导数是不是被积函数
大家知道如果两个函数
相差的是一个常数
那么 它们的导数是相等的
而相差一个常数的两个函数
在形式上就可以有很大的不同
有了正割函数的不定积分
类似的我们可以求出
余割函数的不定积分
余割函数的一个愿函数表示是
cscx减掉cotx
它的绝对值取自然对数
它的另外一个原函数表示形式是
cscx加上cotx取绝对值
取自然对数
前面再加一个负号
下面我们看第七道例题
求sinx乘上cos2x的不定积分
sinx乘上cos2x
我们利用三角函数的积化和差公式
可以把它变成二分之一倍的
sin3x减掉sinx
这样我们要求的不定积分
也就是要求2分之1倍的sin3x
减掉sinx的不定积分
我们直接就可以得到最后的结果是
负的6分之1倍的cos3x
再加上2分之1倍的cosx
加上常数C
在这里只是用到了sin3x的原函数
应该是负的3分之1倍的cos3x
关于积化和差公式
在我们做积分运算时
是经常用到的
比如说我们要求sinax乘上sinbx
或者是要求sinax乘上cosbx
关于这个形式的被积函数
求不定积分的问题
我们首先用的就是积化和差公式
把它们变成是两个余弦
或者是两个正弦的和差问题
下面我们看第八道例题
我们求e的根下x次方
除上根下x的不定积分
在这个不定积分中我们将被积函数中的
根下x分之1乘上dx
凑成两倍的d根下x
我们将根下x作为一个整体变量
利用e的u次方的原函数
仍然还是e的u次方
我们就得到了要求的不定积分是
两倍的e的根下x次方
再加上常数C
第九个例题
我们求1除上根下x 乘上1减x
它的不定积分
我们将被积函数作为一个变形
也就是分母上我们提出根下x
并将x看作是根下x的平方
在这个形式下
我们将根下x分之1
乘上dx
凑成是两倍的d根下x
让根下x作为一个整体变量
利用根下面1减u方分之1
它的原函数是
arcsinu这个计算公式
就得到了我们要求的不定积分是
两倍的arcsin根下x加上常数C
下面我们来看最后一道例题
我们求1除上x乘上
1+lnx它的不定积分
在这个不定积分中
我们将x分之1
乘上dx凑成是dlnx
我们进一步将dlnx
可以凑成是d1加lnx
我们让1加lnx作一个整体变量
利用u分之1的原函数
是u的自然对数
我们就得到了我们要求的不定积分
最后结果是1+lnx的绝对值
取自然对数
再加上常数C
通过我们前面介绍的例题
我们可以体会到所谓的凑微分法
能不能数量的掌握 准确的运用
实际上主要就是看
我们基本导数公式是不是熟练
我们应该知道以常见的导数公式
在前面的例题中
我们主要练习了
像x的arc次方乘上dx
可以凑成是arc加1分之1
乘上dxarc加1次方
在这里面它的两个特殊情况
一个是arc等负2分之1的情况
也就是根下x分之1dx
等于两倍的d根下x
还一个就是arc等负1时
x分之1乘上dx
等于dlnx
以至于像cosx dx
写成dsinx等等
这是我们在用错误微分法
或者是说用第一换元积分法
求不定积分时
经常用的一些换元方式
请大家在做题目时
注意总结
本讲给出了
不定积分的第一换元积分公式
这个公式成立的理论保障
就是复合函数的链导法则
从形式上看第一换元积分公式
是通过引进中间变量的方式
将原来的不定积分
转化成了一个新的不定积分
通过对例题的仔细研读
我们可以更好的体会到
为什么将第一换元积分法
称为凑法
能否熟练的运用第一换元积分法
既要看对基本导数公式的熟练程度
也要求在求不定积分问题时
要有意识地将被积函数
分解成两个因式的乘积
下一讲将介绍不定积分的
第二换元积分法
和定积分的换元积分法
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试