当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第四节 定积分的换元积分法与分部积分法 > 定积分的计算-换元法
我们知道不定积分的计算
有换元法和分部积分法
那么同样对我们定积分的计算
也有换元法和分部积分法
我们来看一看定积分的计算
换元法
假如说有这么一个函数
我们要算从a到bf(x)dx
要算这么一个定积分
我们给条件
如果说f是一个连续函数
φ(t)是一个C1类的函数
也就是说它所有的
导函数都连续的
在[α,β]这个区间上
并且φ当自变量
当t属于[α,β]的时候
它的值域是包含在f的定义域里面
φ当t取α的时候等于a
φ当t取β的时候等于b
则abf(x)dx就等于
从α到βf(φ(t))
φ的一阶导数tdt
这就是定积分的换元法
我们稍微证明一下
我们记F(x)为
f(x)的某一原函数
F是f的某一原函数
那么我们稍微写得特别一点
那么我们可以知道原来那个定积分
f(x)dx就可以写成F在b点的值
减去F在a点的值
这是牛顿莱布尼兹公式告诉我们的
那么我们来看看另外一个
F和φ(t)的复合对t的导数
就等于F根据复合函数得求导法则
乘上φ的一阶导数t
F既然是f的某一原函数
所以F的导数就等于f
也就是说f函数φ(t)的
复合乘上φ一阶导数t
所以我们就可以知道从α到β
f(φ(t))φ的一阶导数tdt
这么一个定积分的计算就可以写成
F(φ(t))这是它的某一原函数
根据牛顿莱布尼兹公式
下限是α上限是β
也就是说等于F(φ(β))
减去F(φ(α))
我们知道φ(β)是等于
b φ(α)是等于a
所以它也就等于
F在b点的值减去F在a点的值
这样子我们就知道了
这两个实际上是相等的
也就是说我们要给出来的
这么一个关于定积分的
换元法是一个正确的
我们来看一个例子
从1积到4根号x1加上根号xdx
那么对这么一道题来讲的话
我们可以第一个办法
就是我们先不看定积分
我们求不定积分
我们可以用原来学过的办法
把不定积分算出来
然后根据牛顿莱布尼兹公式
把上限下限代进去
这也是一种办法
但我们现在用了定积分的换元法之后
我们可以按下面的定积分的换元法来做
做变量代换令根号x等于t
令根号x等于t之后
那么我们来看一看
当x取下限1的时候
t等于根号1还是取1
当x取上限4的时候
t等于根号x根号4取2
然后t除以1加t
根号x等于t
那么x就等于t平方
所以dx是就等于两倍的tdt
很显然这已经就变成了
一个分式有理函数的积分
我们把它稍微写完整一点的话
是两倍的一个从1积到2
t平方除以1加上tdt
好我减1加1
那么不减不加跟刚才完全是一样的
那么t平方减1
那么又可以通过因式分解
把它写成t减1和t加1
得这么两个因子的乘积
所以它就等于两倍的从1积到2
t减1再加上11加上t这么一个dt
那现在我们当然就很简单了
就等于两倍的我们把原函数找出来
二分之一的t平方减去t再加上ln1加t
下限是1上限是2
我们根据牛顿莱布尼兹公式
我们把2代进去把1代进去
2的平方除以2减去2
加上ln3再减去二分之一的平方
再加上1再减去ln2
稍微化简一下就可以得到
我们想要的这么一个定积分的计算
好我们再来看一道证明题
如果说f是一个连续函数
在-a到a上的连续函数
是一个偶函数
求证从负a到正a f(x)dx
就等于两倍的从0到af(x)dx
f是定义在负a到正a
是关于原点对称的这么一个
区间上的连续函数
并且是偶函数
要证明从负a到正a f(x)它的定积分
就等于两倍的从0到a f(x)的定积分
要证这么一件事情
我们先证明
我们来看看从负a到正af(x)dx
可以写成根据定积分
关于积分区间的可加性
可以写成0到af(x)dx
加上从负a到0f(x)dx
两个区间上的定积分的和
那么我们来看看从负a到0 f(x)dx
也就右边那个定积分
我们做变量代换
令x等于负的u
我们做这么一个变量代换
令x等于负u
那么我们来看一看当x取负a的时候
u正好是取a
所以积分下限对u来讲是a
当x取0的时候当然u还是取0
f(-u)x等于-u
那么dx负的du
因为我们已经讲过
f这个函数是一个偶函数
既然是偶函数
f(-u)就等于f(+u)
这是偶函数的定义
那么它也就等于负的
从a到0 f(u)du
我们把积分的上限下限颠倒一下
我们原来讲过的性质告诉我们
这个定积分就差一个负号
我们把负号放进去之后
实际上就等于从0到a
我们还知道定积分的积分值
跟这个积分的表达积分变量的
表达符号是没有关系的
那么我们不用u来表示
还是用f(x)dx
所以我们可以知道右半部分的积分
是等于0到a的f(x)dx
我们把这个式子代到上面的话
实际上可以得到两倍的积分
也就是说从负a到正af(x)dx
等于两倍的半个区间上
从0到af(x)dx
那么这道题我们再做一次证法
我换一种证明方法来证
我们来看看我把左边那个函数啊
从负a到正af(x)dx
我把它记成F的a
这时候你会发现a呢是作为变量来用
那么F(a)的这种
这种表达形式正好
是我们原来讲过的
是变上限变下限
所定义的这么一个函数
我们把右边那个函数呢
我们把它叫G(a)
G(a)就等于两倍的
从0到af(x)dx
我们把它叫G(a)
第一个式子当a取0的时候
F在0点是从0到0的积分
0到0的定积分当然是等于0的
所以F当a取0的时候是等于0
G这个函数取a等于0的时候
还是0到0的积分
等于00乘上2也等于0
G取0的时候a取0的时候等于0
所以这两个实际上相等的
F和G这两个函数
在a等于0的时候它们是相等的
我们还知道f是个连续函数
连续函数变限积分
是一个可导的函数
所以F(a)和G(a)
都是可导的函数
那我们来看看F的导数
就等于从负a到正a f(x)dx
这个函数的对谁
我们要写清楚
对a这个变量的导数
那么这是一个复合的变限积分
我们根据变限积分的
它的有关的公式
我们可以知道这就等于f在a点的值
乘上a对a的导数就是1
再减去这是上限下限
f在-a这一点的取值
乘上-a对a的导数正好是-1
也就等于两倍的
又因为f是一偶函数
所以正a负a的话都是一样的
所以两倍的f(a)
我们来看看G这个函数对a的导数
就等于两倍拿在外头
0到af(x)dx这个变上限
纯粹的一个变上限积分对a的导数
当然我们就可以知道
就等于两倍的f(a)
所以我们现在就可以知道了
F这个函数对a的导数
恒等于G这个函数对a的导数
并且F当a取0的时候
等于G这个函数
当a取0的时候的函数值
所以根据微分的知识告诉我们
如果两个函数的导函数是恒等的
那么这两个函数只差一个任意常数
就差一个常数
而且在某一点
这两个函数的函数值相等的
实际上那个常数就是0
也就是说F(a)恒等于G(a)
那么所以最后那句话
在这就不用再写了
我们要证明的那个结论是正确的
也就是说如果f是一个偶函数
偶函数在关于0点对称区间上的积分
等于两倍的半个区间上的积分
那么这道题的话我们还可以稍微再
还有相应的其他的类似的结论
第一个如果f还是一个连续函数
f是一个连续函数
从负a到正a的连续函数
是一个奇函数
则从负a到正a f(x)dx就等于0
也就告诉我们奇函数
在关于原点对称的
这么区间上的定积分一定是等于0
不需要去算的
当然加上连续性条件
这个证明的过程也可以分成两类
第一类我们用定积分的变量代换
或者换元法可以来证明
第二种方法可以用求导数
变限积分求导数的
办法也可以来证明
那么类似的题目还有第三个
如果f是连续函数
在整个一个实轴上定义的连续函数
并且它是一个周期函数
它的周期为T的这么一个周期函数
则从a到a加T f(x)dx积分
就等于从0到T f(x)dx
也就是说一个连续的周期
为T的周期函数
那么无论起始点在哪
只要这个积分的区间的
长度是等于T
那么它都是相等的
都等于从0点到T的
这么一个f(x)dx
也可以用几种办法
第一种就是定积分的换元法来证
第二种我们也可以
用求导数的办法来给它证明
好我们来看看最后一道例题
要求这么一个定积分
0到πxsinx除以1加上cos平方x的dx
那么要指出来的是
这么一个xsinx除以1加上cos平方x
这么一个被积函数
当然这个被积函数是个连续函数
所以没有问题的
它也有原函数也有不定积分
但是这个原函数呢
就是我们所谓的积不出来
也就是说这么一个原函数
它不是一个初等函数
所以从用牛顿莱布尼兹公式
我们先把它原函数求出来
然后再去求这么一个定积分值的办法
实际上在我们这道
例题里边是行不通的
那么恰好我们的变量代换的办法
恰好是可以把它给做出来的
我们来看看这道例题
我们把0到π这个区间分成两部分
一个是0到二分之π
xsinx除以1加上cosx平方dx
加上二分之π到π xsinx
1加上cos平方x的dx
第一个不定积分我们放在那不动
我们来处理第二个不定积分
我们来看看从二分之π到π
xcosxxsinx
1加上cos平方x
这么一个函数的不定积分
我们做变量代换
我们令x就等于π减t
我们做变量代换令x等于π减t
那么x等于π减t
我们来看看积分的下限
当x取二分之π的时候
t恰好是取二分之π
所以积分下限写在下面
t取二分之π
当x取π的时候
t恰好是取0
所以从二分之π到0
x是π减t
sinx也就等于sinπ减t
就等于sint
1加上cosx等于负的cost
但是cos平方x
就等于cos的平方的t
dx就等于负的dt
这有一个负号
这个负号放在什么地方
我把积分的上下限颠倒一下
有一个负号
跟这个负号正好抵消
所以它也就等于从0到二分之π
π减tsint除以1加上cos平方t的dt
我们还是要强调一点
我们讲决定一个定积分的
值到底是大还是小
它有这么几个因素
积分下限积分上限
被积函数的形式
而与被积函数定积分的
积分变量是没有关系的
所以我们把这个t呢又改写成为x
π减x乘上sinx1加上
cos平方x的dx
所以这是我们算的是第二个积分
那么我们原来那个积分
我们把它叫做I
我们把它记成I
I这个积分实际上等于
第一个积分加上第二个积分
你会发现第一个积分和第二个积分
有很多东西是可以抵消的
xsinx1加上cos平方x的dx
加上从0到二分之ππ减x
sinx1加上cos平方x的dx
xsinx除上1加cos平方x
和负的xsinx除以1
加cos平方x正好抵消
一抵消之后剩下
就是π从0到二分之π
上面是sinx除以
1加上cos平方xdx
我们一看好做了
这就是一个所谓的三角有理函数
当然最笨的办法
就是所有的三角有理函数
都是可以通过三角的万能公式
把它写成分式有理函数
然后用分式有理函数
我们经过一大堆化简
把不定积分算出来上下限代进去
当然是可以做的
但是对我们这么一道题来讲
我们那一套办法就显得比较笨了
变量代换是更好的办法
π0到π0到二分之π
dcosx要注意dcosx
等于负的sinxdx
所以前面加一个负号
除以1加上cos平方x
这样的话我们如果要做的话
令u等于cosx
那么就du1加u平方
实际上我们就马上
就直接做出来就行了
等于负πarctan括弧cosx
再下限是0
上限是二分之π
我们把二分之π放进去
正好是0
把0放进去
最后得到的答案
是等于四分之π的平方
所以你不要以为
牛顿莱布尼兹公式就是一个万能的
因为对于有些函数来讲
它的原函数恰好不是初等函数
也就是我们所谓积不出来的情况
那么有的时候变量代换或者
换元法还是有起作用的
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
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--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
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-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
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--导数的概念
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--微分概念
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--导数的四则运算
--反函数求导法
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--高阶导数
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--Rolle定理
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--函数的单调性
--函数的极值
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--拐点
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--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
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--定积分的性质
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--变上限积分
--复合变限积分
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--第七章 定积分--第三节思考与练习
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--第七章 定积分--第四节思考与练习
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--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
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-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
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--第八章 级数--第四节 思考与练习
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--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习