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 > 6.1.3 换元积分法(3)
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
-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