人工智能数学基础--不定积分2:利用换元法求不定积分
一、引言
在《人工智能数学基础–不定积分1:概念与性质》介绍了必须熟记的十三个基本积分公式及十一个扩展公式,利用这些公式以及不定积分的加法以及数乘性质,可以进行部分积分的计算,但非常有限,因此有必要进一步研究不定积分的计算。
本文介绍利用中间变量代换,将函数化为复合函数,利用复合函数求积分,相关方法称为换元积分法,简称换元法。
换元法分为两类,第一类是通过形如u=φ(x)变量代换后将函数化为某复合函数导数的形式,第二类是将x=ψ(t)进行变量代换,将代换后的函数化为某复合函数导数的形式。
二、第一类换元法
定理:设f(u)具有原函数,u=φ(x)可导,则有换元公式:
由此定理可见,虽然∫f[ φ(x]φ’(x)dx是一个整体记号,但从形式上看,可以认为是方便应用积分表进行计算的积分:∫f[φ(x]dφ(x)。
因此第一类换元法的核心思想是将∫f(x)dx形式的积分表达式中的f(x)dx化为φ(x)φ’(x)dx。
书中案例很多,挑3个有代表性稍微复杂的案例,以供大家理解:
一般地,对于积分∫f(ax+b)dx (a≠0),总可作变换u=ax+b,把其化为:
一般地,对于sin2k+1x cosnx或sinnx cos2k+1x型的函数积分,总可以作变换u=sinx或u=cosx,求得结果。
类似地,对于tannx sec2kx或tan2k-1x secnx型的函数积分,总可以作变换u=tanx或u=secx,求得结果。
一般地,对于sin2mx cos2nx型的函数积分,总可以利用三角恒等式sin2x=(1-cos2x)/2或cos2x=(1+cos2x)/2作变换化成cos2x的多项式,然后用上例的方法求得结果。类似地还可以利用和差化积或积化和差等三角恒等式进行变换。
三、第二类换元法
定理:设x=ψ(t)是单调的可导函数,并且ψ’(t)≠0,又设f[ψ(t)]ψ’(t)具有原函数,则有换元公式:
其中ψ-1(t)是x=ψ(t)的反函数。
说明:
- 这一公式的证明可以对公式(2-2)右边的被积函数求导即可证明;
- 与第一类换元公式的区别是需要用到一个中间变换,将x变为x为因变量其他引入参数如t为自变量的函数;
- 求出基于t的原函数后,要用t到x的反函数代换回去。
案例:
下面看个书中的案例:
注意:老猿在这里思考了一下,为什么能用x=asint?这是因为a2 - x2决定了x2∈[0,a2],因此对于满足该要求的x都可以用asint来表达。
从上面的例子可以看出(受文字输入影响,下面的描述中根号用✓表示):
- 如果被积函数含有✓a2 -x2,可以作代换x=asin t 化去根式。
类似地:
- 如果被积函数含有✓x2+a2 ,可以作代换x=atan t 化去根式;
- 如果被积函数含有✓x2-a2 ,可以作代换x=±asec t 化去根式。
但具体解题时要分析被积函数的具体情况,选取尽可能简捷的代换,不要拘泥于上述的变量代换。
四、倒代换
除了上面介绍的2类代换外,还有一种用于消去分母中自变量的倒代换。
五、小结
本文介绍了三种换元法求不定积分的方法及案例,但具体解题时要分析被积函数的具体情况,选取尽可能简捷的代换,不要拘泥于特定的变量代换。
说明:
本文内容是老猿学习同济版高数的总结,有需要原教材电子版以及OpenCV、Python基础知识、、图像处理原理介绍相关电子资料,或对文章内有有疑问咨询的,请扫博客首页左边二维码加微信公号,根据加微信公号后的自动回复操作。
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