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下一节:6.2.1 分部积分法(1)

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6.1.3 换元积分法(3)课程教案、知识点、字幕

下面我们来介绍一下

定积分的换元积分法

有了不定积分的换元积分公式之后

我们说定积分的换元积分公式

主要就要注意

在积分变量发生了改变之后

定积分中相应的积分限

也一定要发生改变

下面我们给出具体的结论

定理3

如果函数fx在区间ab上连续

函数x等于gt

在区间α β上具有连续导数

而且gt 在α β上的函数值

是包含在ab区间内

gt在α之点的值就等a

gt在β的函数值就等b

在这些条件下

我们就得到了

fx在区间ab上的定积分值

就等于fgt这个复合函数

乘上g′t这个函数在α到β

这个区间上的定积分值

这就是所谓的

定积分的换元积分公式

我们将这个公式与前边我们介绍的

不定积分的换元积分公式做比较

大家应该看到

它与不定积分的换元积分公式的差别

就是说在积分号上

我们将积分变量的相应变化范围

也就是积分区间标出来了

在积分变量有x化作是t时

他们积分区间

也就从x的取值范围

变成了t的取值范围

下面我们给出这个公式的一个证明

我们知道定理中说fx

在区间ab上连续

前面我们已经介绍了连续函数

是一定存在原函数的

所以我们就假设

Fx是fx它的一个原函数

根据复合函数的链导法则

我们就会得到Fgt的复合

关于t的导数

就等于fgt的复合

乘上g′t

这样我们根据莱布尼兹公式

就知道fx在ab区间上的定积分

就等于f的原函数在上限的值

减掉下限的值

也就是就等于Fb减去Fa

而定积分 也就是fgt的复合

乘上g′t

在α到β上的积分

也等于它的一个原函数

在上限的值减掉下限的值

我们已经知道Fgt

就是这个被积函数的原函数

所以这个积分值

就等于Fgβ减掉Fgα

我们又知道gβ和gα

分别等于b和a

这样我们就证明了两个定积分的值

是相等的

这就是所谓的

定积分的换元积分公式

下面我们来看几个具体的题目

例6

我们求根下e的x方减1

在0到ln2的定积分

这个定积分中

我们直接让根下e的x方减1

就等于一个变量t

也就是x就等于lnt方加1

dx就等于2t除上t方加1再乘dt

而且我们还知道x等0时

t对应的值等0

x等ln2时

t对应的值应该等1

这样我们利用定积分的

换元积分公式

就把我们要求值的定积分

变成了两倍的t方除上1加t方

关于t从零到1求定积分

对这函数

我们求出了他的一个原函数就是

两倍的t减掉arctant

利用牛顿莱布尼兹公式

我们进一步就得到了

我们求的定积分值

就是2减去2分之π

这就是利用定积分的换元积分公式

求具体定积分值的一个题目

通过这个题目我们可以体会到

对定积分直接利用换元积分公式

从计算上来讲

应该比对不定积分

利用换元积分公式

求得原函数之后

再用牛顿莱布尼兹公式

求定积分值来得简单

下面看第七道例题

我们假设函数fx是连续函数

Fx是一个利用定积分定义的函数

我们求Fx的导数

在这个问题中 我们知道

这是一个利用定积分定义的函数

关于定积分定义的函数求导问题

我们前面曾经介绍过

所谓的变现定积分函数的求导公式

但是在这个问题中

我们函数的自变量x

不仅体现在了积分上限上

同时也出现在了被积函数中

对于这样的定积分定义的函数

到目前为止我们并没有它的导数公式

所以说我们要求得F的导数

就必须把这个定积分定义的函数

变换成是一个变现定积分函数

我们从被积函数的形式出发

我们直接令u就等于x方减t

也就是说

我们将积分变量从t变作是u

请大家注意

在积分过程中

x是一个常量

所以说在这个变化下

我们的du是等于负的dt的

而且在t等于0时

u是等于x方的

t等于x时 u是等0的

有了这些准备工作之后

我们知道我们Fx

就变成了Fu乘上负1

关于u从x方到零求积分

我们将积分限交换一下次序

我们的Fx就变成了fu

关于u在0到x平方它的积分

这就是一个单纯的变现定积分函数

利用变现定积分函数的导数公式

我们知道F的导数

就等于f在x平方的值

再称上x平方的导数

可最后的结果是两倍的x

乘上fx平方

下面我们来看第八道例题

我们证明sinn次方x

在零到2分之π的定积分值

与cosn次方x

在零到2分之π的定积分值相等

在这这个n可以是任意实数

当然 我们常用的时候

n表示的是正整数

这个题目实际上也就是要将一个定积分

与另外一个定积分联系起来

也就是要将一个定积分

通过变形变成另外一个定积分

根据这两个定积分的特点

以及正弦余弦函数的性质

考虑到他的积分区间是不变的

所以我们就做一个互补的变换

也就是令x就等于2分之π减去t

那么dx就等于负的dt

而且在x等0时

t是等2分之π的

在x等2分之π时 t是等0的

我们根据定积分的换元积分公式

就会得到sin的n次方x

在零到2分之π的值

就等于sinn次方2分之π减t

在2分之π到零的定积分的负值

我们将积分上弦线交换

把积分号前面的负号消掉

同时我们利用正弦函数

和余弦函数的性质

也就是两个角如果加起来等于90度

那么它们的整弦

与余弦是对应相等的

这样就得到了原来的定积分值

就等于cosn次方t

在0到2分之π的定积分

我们知道定积分值的大小

只与被积函数和积分区间有关

而与积分变量的记号无关

这样我们也就证明了sinn次方x

和cosn次方x

他们在2到2分之π上的

定积分值是相等的

下面我们看例9

我们假设函数fx在区间01上连续

我们证明下面这等式

关于下面这个等式

大家可以分析一下在等号左右两侧

这两个定积分的差别

首先积分区间是一样的

在被积函数里面

fsinx这个因子形式是不变的

但是左边的x变成了右边的2分之π

怎么样的变化

才能保证积分区间不变

同时还要保证sin的值不变

实际上我们用的是

正弦函数它的一个性质

也就是说如果两个角之和等于π

那么这两个角他的正弦值是相等的

所以我们就令x等于π减t

那么dx dt就差一个正负号

而且x等0时 t是等π的

x等π时 t是等0的

这样我们利用定

积分的换元积分公式

就得到了我们等号左侧的定积分

就等于π减t乘上fsinπ减t再乘负dt

从π到0做积分

把积分限交换次序

将dt前面的负号消掉

我们进一步

利用定积分的线性运算性质

将这定积分写成了

两个定积分差的形式

请大家注意

在等号右侧这两个定积分中

有一个是t乘上f

sint从0到π做积分

这个积分值与我们等号左侧的

x乘上fsinx

从0到π做积分是相等的

这样就得到了我们要证的结论

前面我们介绍的例7 例8 例9

实际上牵扯到的都是

利用定积分的还原积分公式

将不同的定积分

联系在一起

这实际上也是我们在处理

定积分问题时经常碰到的问题

也是换元积分公式在处理

定积分问题时的常用方法

下面我们利用换元积分公式

证明几个常用的结论

例10

假设函数fx在区间负a到a上连续

我们证明下面这个等式

也就是fx在负a到a上的定积分值

等于fx加上f负x

在0到a上的定积分值

下面我们来看具体的证明过程

我们知道fx从负a到a的定积分值

利用定积分的区间可加性

可以写成fx从负a到0的定积分

加上fx从0到a的定积分

根据我们要证的结论

在这我们只要将负a到0上的定积分

转化成0到a上的定积分

就可以了

所以我们令x等于负t

那么fx从负a到0的定积分

就变成了f负t乘上非dt

从a到0作积分

我们将积分限交换次序

把dt前面的负号消掉

也就变成了f负t从零到a作积分

也就是f负x从0到a作积分

这样我们利用

定积分的线性运算性质

就进一步得到了fx

在负a到a上的定积分值

就等于fx加上f负x

在0到a上的定积分值

有了这个结论之后

我们自然就得到了

如果fx是个奇函数

那么它在负a到a上的定积分值就等0

而fx如果是个偶函数

他在负a到a上的定积分值

就等于2倍的他在0到a上的定积分值

下面我们来看第11道例题

我们证明如果fx

是以T为周期的连续函数

那么fx在a到a加T的定积分

就定等于fx在0到T上的定积分

在这a是个任意实数

也就是说连续周期函数

在任何一个区间长度上的定积分值

大小是不变的

我们来看这个结论的证明

我们利用定积分的区间可加性

将fx在a到a加T的定积分

表示成a到0的定积分

加上0到T的定积分

再加上T到a加T的定积分

根据我们要证的结论

我们对fx在T到a加T的定积分

作一个变量替换

我们就令t等于x减去周期T

这样我们这个定积分

利用定积分的换元积分公式

就变成了ft加上周期T

在0到a上的定积分

因为f是以T为周期的周期函数

所以也就变成了ft

在0到a上的定积分

也就是fx在t到a加T的定积分

就等于fx在0到a上的定积分

在上面这个等式中

fx在a到0的定积分

与fx在T到a加T的正积分

就正负抵消掉了

这样我们就证明了我们要证的结果

也就是周期函数

在任何一个以周期为长度的区间上

定积分的值是不变的

下面我们来看最后一道例题

我们要证明连续奇函数

它的所有原函数都是偶函数

我们假设fx就是一个连续奇函数

根据变线定积分函数的性质

我们就可以用ft在0到x上的定积分

加上常数C来表示fx的所有原函数

现在我们就证明这

这个Fx它是一个偶函数

为了证明它是偶函数

也就是要看F在负x之点的值

也就是f在0到负x定积分值

加上C

与Fx的关系

为了比较F负x与Fx的关系

实际上也就是要将0到负x的定积分

与0到x定积分联系起来

我们只要做一个负变换

也就是让t等于负u

那么我们0到负x的积分

就变成的f负u

负的du从零到x做积分

因为f是个奇函数

所以f负u

可以写成是负的fu

这样我们就进一步把这个定积分

变成了fu从0到x做积分

根据Fx的定义

那么fu在0到x上定积分

加上常数C就是Fx

这样我们就证明了连续奇函数的

任何一个原函数它都是偶函数

同样的证明方法

大家作为练习

可以证明下面一个结论

这个结果是说

如果一个函数是连续的偶函数

那么它所有的原函数中

只有一个是奇函数

实际上这函数不是别的

就是ft在0到x上的定积分值

这个变现定积分函数

就是我们这个结论中所说的

那个唯一的奇函数

本讲首先给出了

不定积分的第二换元积分公式

这个公式的证明用到了

复合函数的链导法则

和反函数的求导公式

从形式上看第二还原积分公式

是通过引进新的自变量的方式

将原来的不定积分

转化成了一个新的不定积分

与第一换元积分公式相比

第二换元积分公式

它的适用范围更广

但是掌握起来也更加困难

在我们的课程中

同学们要掌握好

利用第二换元积分公式

取根号的积分方法

如当被积函数是f根下a方减x方

f根下a方加x方

和f根下x方减a方时的三角换元法

或当被积函数为f根下ax加b

或者是f根下ax加b1除上a2x加b2

这时的直接换元的方式

在这一讲中

我们还给出了定积分的换元积分公式

这个公式利用牛顿莱布尼兹公式

就可以直接证明

定积分的换元积分法

既可以用来求具体函数的定积分值

也可以用来讨论

不同定积分之间的关系

研究与定积分有关的理论问题

在运用定积分的换元积分法时

特别要注意积分限的对应关系

下一讲将介绍

不定期积分的分部积分法

谢谢同学们

下一讲再见

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 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

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--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

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--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

--2.1.1 连续函数的运算性质

--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

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--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

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--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

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 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

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--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

--4.4.1 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

--4.5.1 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

--4.6.1 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

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

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)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 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

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 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

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 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

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--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

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--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

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

6.1.3 换元积分法(3)笔记与讨论

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