文章目录

  • 不定积分
    • 三角函数本身
    • 含三角函数的不定积分
  • 定积分
    • 常用公式
    • 旋转体体积计算
  • 反常积分
    • 高斯积分 ∫−∞+∞e−x2dx=π\int_{-\infin}^{+\infin}e^{-x^{2}} d x=\sqrt{\pi}∫−∞+∞​e−x2dx=π​
    • 广义积分 ∫−∞∞sin⁡xxdx=π\int_{-\infin}^{\infin} \frac{\sin x}{x} dx=\pi∫−∞∞​xsinx​dx=π
    • 敛散性判别

不定积分

三角函数本身

(tan⁡x)′(\tan x)^{\prime}(tanx)′ sec⁡2x\sec^{2} xsec2x
(sec⁡x)′\sec x)^{\prime}secx)′ tan⁡x⋅sec⁡x\tan x \cdot \sec xtanx⋅secx
(cot⁡x)′(\cot x)^{\prime}(cotx)′ −csc⁡2x-\csc^{2} x−csc2x
(csc⁡x)′(\csc x)^{\prime}(cscx)′ cot⁡x⋅csc⁡x\cot x \cdot \csc xcotx⋅cscx

∫sec⁡xdx=∫sec⁡x(sec⁡x+tan⁡x)sec⁡x+tan⁡xdx=∫d(tan⁡x+sec⁡x)sec⁡x+tan⁡x=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x dx= \int \frac{\sec x (\sec x + \tan x)}{\sec x + \tan x} d x = \int \frac{d(\tan x + \sec x)}{\sec x + \tan x} = \ln |\sec x + \tan x| + C∫secxdx=∫secx+tanxsecx(secx+tanx)​dx=∫secx+tanxd(tanx+secx)​=ln∣secx+tanx∣+C
∫csc⁡xdx=∫csc⁡x(csc⁡x−cot⁡x)csc⁡x−cot⁡xdx=∫d(csc⁡x−cot⁡x)csc⁡x−cot⁡x=ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣+C=∫1sin⁡xdx=∫cos⁡x2sin⁡x212cos⁡2x2dx=∫1tan⁡x2dtan⁡x2=ln⁡∣tan⁡x2∣+C\int \csc x dx = \int \frac{\csc x (\csc x - \cot x)}{\csc x - \cot x} d x = \int \frac{d(\csc x - \cot x)}{\csc x - \cot x} = \ln |\csc x - \cot x| + C=\int \frac{1}{\sin x} dx = \int \frac{\cos \frac{x}{2}}{\sin \frac{x}{2}} \frac{1}{2 \cos ^{2} \frac{x}{2}} d x =\int \frac{1}{\tan \frac{x}{2}} d \tan \frac{x}{2} =\ln |\tan \frac{x}{2} |+C∫cscxdx=∫cscx−cotxcscx(cscx−cotx)​dx=∫cscx−cotxd(cscx−cotx)​=ln∣cscx−cotx∣+C=∫sinx1​dx=∫sin2x​cos2x​​2cos22x​1​dx=∫tan2x​1​dtan2x​=ln∣tan2x​∣+C

(arctan⁡x)′(\arctan x)^{\prime}(arctanx)′ 11+x2\frac{1}{1+x^{2}}1+x21​
(arccot⁡x)′(arc \cot x)^{\prime}(arccotx)′ −11+x2-\frac{1}{1+x^{2}}−1+x21​
(arcsin⁡x)′(\arcsin x)^{\prime}(arcsinx)′ 11−x2\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}1−x2​1​
(arccos⁡x)′(\arccos x)^{\prime}(arccosx)′ −11−x2-\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}−1−x2​1​

(导数公式证明:(arctan⁡x)′=1tan⁡′(arctan⁡x)=11+tan⁡2(arctan⁡x)=11+x2(\arctan x)^{\prime}=\frac{1}{\tan^{\prime}(\arctan x)}=\frac{1}{1+\tan^{2}(\arctan x)}=\frac{1}{1+x^{2}}(arctanx)′=tan′(arctanx)1​=1+tan2(arctanx)1​=1+x21​ ,其他应用反函数求导公式,证明类似)
∫aa2+x2dx=arctan⁡xa+C\int \frac{a}{a^{2}+x^{2}} d x=\arctan \frac{x}{a}+C∫a2+x2a​dx=arctanax​+C
∫1a2−x2dx=arcsin⁡xa+C\int \frac{1}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \mathrm{d} x=\arcsin \frac{x}{a}+C∫a2−x2​1​dx=arcsinax​+C

由:
∫dxx2−a2⇒x=asec⁡xln⁡∣sec⁡t+tan⁡t∣+C=ln⁡∣sec⁡(sec⁡−1(x/a))+tan⁡(sec⁡−1(x/a))∣+C=ln⁡∣sec⁡(sec⁡−1(x/a))+sec⁡(sec⁡−1(x/a))−1∣+C=ln⁡∣x+x2−a2∣+C\int \frac{d x}{\sqrt{x^{2} - a^{2}}} \xRightarrow{x=a\sec x}\ln |\sec t + \tan t| + C = \ln |\sec (\sec^{-1} (x/a)) + \tan (\sec^{-1} (x/a))| + C = \ln |\sec (\sec^{-1} (x/a)) + \sqrt{\sec(\sec^{-1} (x/a))-1}| + C = \ln |x + \sqrt{x^{2} - a^{2}}| + C∫x2−a2​dx​x=asecx​ln∣sect+tant∣+C=ln∣sec(sec−1(x/a))+tan(sec−1(x/a))∣+C=ln∣sec(sec−1(x/a))+sec(sec−1(x/a))−1​∣+C=ln∣x+x2−a2​∣+C
∫dxx2+a2⇒x=atan⁡xln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C=ln⁡∣sec⁡(tan⁡−1(x/a))+tan⁡(tan⁡−1(x/a))∣+C=ln⁡∣tan⁡(tan⁡−1(x/a))+1+tan⁡(tan⁡−1(x/a))∣+C=ln⁡∣x+x2+a2∣+C\int \frac{d x}{\sqrt{x^{2} + a^{2}}}\xRightarrow{x=a\tan x} \ln |\sec x + \tan x| + C = \ln |\sec(\tan^{-1} (x/a)) + \tan(\tan^{-1} (x/a))| + C = \ln |\sqrt{\tan(\tan^{-1} (x/a))+1} + \tan(\tan^{-1} (x/a))| + C = \ln |x + \sqrt{x^{2} + a^{2}}| + C∫x2+a2​dx​x=atanx​ln∣secx+tanx∣+C=ln∣sec(tan−1(x/a))+tan(tan−1(x/a))∣+C=ln∣tan(tan−1(x/a))+1​+tan(tan−1(x/a))∣+C=ln∣x+x2+a2​∣+C
得:
∫dxx2±a2=ln⁡∣x+x2±a2∣+C\int \frac{d x}{\sqrt{x^{2} \pm a^{2}}}=\ln |x+\sqrt{x^{2} \pm a^{2}}|+C∫x2±a2​dx​=ln∣x+x2±a2​∣+C

含三角函数的不定积分

  • ∫11+sin⁡θdθ\int \frac{1}{1+\sin \theta d\theta}∫1+sinθdθ1​

解法一:
∫11+sin⁡θdθ=∫1−sin⁡θcos⁡2θdθ=∫1cos⁡2θdθ−∫sin⁡θcos⁡2θdθ=tan⁡θ−sec⁡θ+C\begin{array}{l} \int \frac{1}{1+\sin \theta} d \theta \\ =\int \frac{1-\sin \theta}{\cos ^{2} \theta} d \theta \\ =\int \frac{1}{\cos ^{2} \theta} d \theta-\int \frac{\sin \theta}{\cos ^{2} \theta} d \theta \\ =\tan \theta-\sec \theta+C \end{array}∫1+sinθ1​dθ=∫cos2θ1−sinθ​dθ=∫cos2θ1​dθ−∫cos2θsinθ​dθ=tanθ−secθ+C​
解法二:
万能代换:tan⁡x2=t,sin⁡x=2t1+t2,cos⁡x=1−t21+t2,dx=21+t2dt\tan \frac{x}{2}=t, \sin x= \frac{2t}{1+t^{2}},\cos x = \frac{1-t^{2}}{1+t^{2}},dx=\frac{2}{1+t^{2}}dttan2x​=t,sinx=1+t22t​,cosx=1+t21−t2​,dx=1+t22​dt
∫11+sin⁡xdx=∫11+2tan⁡x21+tan⁡2x2dx=∫sec⁡2x2(1+tan⁡x2)2dx=∫2(1+tan⁡x2)2dtan⁡2x2=−2tan⁡x2\int \frac{1}{1+\sin x} dx=\int \frac{1}{1+\frac{2\tan\frac{x}{2}}{1+\tan^{2}\frac{x}{2}}}dx=\int \frac{\sec^{2}\frac{x}{2}}{(1+\tan \frac{x}{2})^{2}}dx=\int \frac{2}{(1+\tan\frac{x}{2})^{2}}d\tan^{2}\frac{x}{2}=-\frac{2}{\tan\frac{x}{2}}∫1+sinx1​dx=∫1+1+tan22x​2tan2x​​1​dx=∫(1+tan2x​)2sec22x​​dx=∫(1+tan2x​)22​dtan22x​=−tan2x​2​
解法三(和万能代换异曲同工):
∫11+sin⁡xdx=∫1sin⁡2x2+cos⁡2x2+2sin⁡x2cos⁡x2dx=2∫sec⁡2x2tan⁡2x2+2tan⁡x2+1dx2=−21+tan⁡x2+C=21+cot⁡x2+C(上下同除sin⁡2x)\int \frac{1}{1+\sin x}dx=\int \frac{1}{\sin ^{2}\frac{x}{2}+\cos ^{2}\frac{x}{2}+2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2}}dx=2\int \frac{\sec^{2}\frac{x}{2}}{\tan^{2}\frac{x}{2}+2\tan\frac{x}{2}+1}d\frac{x}{2}=-\frac{2}{1+\tan\frac{x}{2}}+C=\frac{2}{1+\cot\frac{x}{2}}+C(上下同除\sin ^{2}x)∫1+sinx1​dx=∫sin22x​+cos22x​+2sin2x​cos2x​1​dx=2∫tan22x​+2tan2x​+1sec22x​​d2x​=−1+tan2x​2​+C=1+cot2x​2​+C(上下同除sin2x)

  • ∫1(1+sin⁡x)2dx\int \frac{1}{(1+\sin x)^{2}} dx∫(1+sinx)21​dx

∫1(1+sin⁡x)2dx=∫dx(sin⁡x2+cos⁡x2)4=14∫dxcos⁡4(x2−π4)=12∫sec⁡2(x2−π4)dtan⁡(x2−π4)=12∫[1+tan⁡2(x2−π4)]dtan⁡(x2−π4)=12[tan⁡(x2−π4)+13tan⁡3(x2−π4)]\begin{array}{l} \int \frac{1}{(1+\sin x)^{2}} dx \\ =\int \frac{dx}{(\sin \frac{x}{2}+\cos \frac{x}{2})^{4}} \\ =\frac{1}{4} \int \frac{dx}{\cos ^{4}(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4})} \\ =\frac{1}{2}\int \sec^{2}(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4})d\tan(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}) \\ =\frac{1}{2}\int [1+\tan^{2}(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4})]d\tan(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}) \\ =\frac{1}{2}[\tan(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4})+\frac{1}{3}\tan^{3}(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4})] \end{array}∫(1+sinx)21​dx=∫(sin2x​+cos2x​)4dx​=41​∫cos4(2x​−4π​)dx​=21​∫sec2(2x​−4π​)dtan(2x​−4π​)=21​∫[1+tan2(2x​−4π​)]dtan(2x​−4π​)=21​[tan(2x​−4π​)+31​tan3(2x​−4π​)]​

定积分

常用公式

  • Wallis 公式(“点火” 公式)

∫0π2sin⁡nxdx=∫0π2cos⁡nxdx=(n−1)!!n!!H\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n}xdx=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{n}xdx=\frac{(n-1)!!}{n!!}H∫02π​​sinnxdx=∫02π​​cosnxdx=n!!(n−1)!!​H
n 为偶数,H 取 π/2,n 为奇数,H 取 1.

  • 区间再现公式

∫abf(x)dx=∫abf(a+b−x)dx\int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{b}f(a+b-x)dx∫ab​f(x)dx=∫ab​f(a+b−x)dx
适合处理包含三角函数的积分问题

  • 三角函数积分常用公式

∫0π2f(sin⁡x)dx=∫0π2f(cos⁡x)dx\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}f(\sin x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}f(\cos x)dx∫02π​​f(sinx)dx=∫02π​​f(cosx)dx
∫0πxf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)dx\int_{0}^{\pi}xf(\sin x)dx=\frac{\pi}{2}\int_{0}^{\pi}f(\sin x)dx∫0π​xf(sinx)dx=2π​∫0π​f(sinx)dx(易从区间再现公式推导)

旋转体体积计算

  • y1(x),y2(x),x=a,x=b(y2(x)≥y1(x)≥0)y_{1}(x), y_{2}(x), x=a, x=b(y_{2}(x)\ge y_{1}(x)\ge 0)y1​(x),y2​(x),x=a,x=b(y2​(x)≥y1​(x)≥0) 围成的区域绕 x 轴旋转一周的旋转体体积
    V=π∫ab[y22(x)−y12(x)]dx,a<bV=\pi \int_{a}^{b}\left[y_{2}^{2}(x)-y_{1}^{2}(x)\right] \mathrm{d} x, a<bV=π∫ab​[y22​(x)−y12​(x)]dx,a<b

  • y1(x),y2(x),x=a,x=b(y2(x)≥y1(x)b>a≥0)y_{1}(x), y_{2}(x), x=a, x=b(y_{2}(x)\ge y_{1}(x) \quad b>a\ge 0)y1​(x),y2​(x),x=a,x=b(y2​(x)≥y1​(x)b>a≥0) 围成的区域绕 y 轴旋转一周的旋转体体积
    V=2π∫abx(y2(x)−y1(x))dxV=2 \pi \int_{a}^{b} x\left(y_{2}(x)-y_{1}(x)\right) \mathrm{d} xV=2π∫ab​x(y2​(x)−y1​(x))dx

反常积分

高斯积分 ∫−∞+∞e−x2dx=π\int_{-\infin}^{+\infin}e^{-x^{2}} d x=\sqrt{\pi}∫−∞+∞​e−x2dx=π​

解法一(极坐标):
I=∫−∞+∞e−x2dx=2∫0+∞e−x2dx=2AI=\int \limits_{-\infin}^{+\infin}e^{-x^{2}} d x=2\int \limits_{0}^{+\infin}e^{-x^{2}} d x=2AI=−∞∫+∞​e−x2dx=20∫+∞​e−x2dx=2A
A2=∫0+∞e−x2dx⋅∫0+∞e−y2dy=∬x,y>0e−(x2+y2)dxdy=∫0π2dθ∫0+∞e−ρ2ρdρ=π2(−12e−ρ2)∣0+∞=π4A^{2}=\int\limits_{0}^{+\infin}e^{-x^{2}}dx \cdot \int \limits _{0}^{+\infin}e^{-y^{2}}dy=\iint\limits_{x,y>0}e^{-(x^{2}+y^{2})}dxdy=\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}d\theta \int\limits_{0}^{+\infin}e^{-\rho^{2}}\rho d\rho = \frac{\pi}{2}(-\frac{1}{2}e^{-\rho^{2}})|_{0}^{+\infin}=\frac{\pi}{4}A2=0∫+∞​e−x2dx⋅0∫+∞​e−y2dy=x,y>0∬​e−(x2+y2)dxdy=0∫2π​​dθ0∫+∞​e−ρ2ρdρ=2π​(−21​e−ρ2)∣0+∞​=4π​
I=πI = \sqrt{\pi}I=π​
解法二(变量代换、凑微分):
Let I=∫−∞+∞e−x2dx=2∫0∞e−x2dxI2=4(∫0∞e−x2dx)(∫0∞e−y2dy)=4∫0∞∫0∞e−(x2+y2)dxdy=4∫0∞∫0∞e−x2(1+y2/x2)dxdy,{y/x=udy=xdu=4∫0∞∫0∞e−x2(1+u2)xdxdu=(4)(−12)∫0∞11+u2du∫0∞e−x2(1+u2)d(−x2(1+u2))=−2∫0∞11+u2(e−x2(1+u2))0∞du=2∫0∞du1+u2=(2)(π2)=π∵I>0∴I=π\begin{aligned} &\text {Let } I=\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^{2}} d x=2 \int_{0}^{\infty} e^{-x^{2}} d x\\ &I^{2}=4\left(\int_{0}^{\infty} e^{-x^{2}} d x\right)\left(\int_{0}^{\infty} e^{-y^{2}} d y\right)\\ &=4 \int_{0}^{\infty} \int_{0}^{\infty} e^{-\left(x^{2}+y^{2}\right)} d x d y\\ &=4 \int_{0}^{\infty} \int_{0}^{\infty} e^{-x^{2}\left(1+y^{2} / x^{2}\right)} d x d y,\left\{\begin{array}{l} y / x=u \\ d y=x d u \end{array}\right.\\ &=4 \int_{0}^{\infty} \int_{0}^{\infty} e^{-x^{2}\left(1+u^{2}\right)} x d x d u\\ &=(4)\left(-\frac{1}{2}\right) \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+u^{2}} d u \int_{0}^{\infty} e^{-x^{2}\left(1+u^{2}\right)} d\left(-x^{2}\left(1+u^{2}\right)\right)\\ &=-2 \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+u^{2}}\left(e^{-x^{2}\left(1+u^{2}\right)}\right)_{0}^{\infty} d u\\ &=2 \int_{0}^{\infty} \frac{d u}{1+u^{2}}\\ &=(2)\left(\frac{\pi}{2}\right)\\ &=\pi\\ &\because I>0\\ &\therefore I=\sqrt{\pi} \end{aligned}​Let I=∫−∞+∞​e−x2dx=2∫0∞​e−x2dxI2=4(∫0∞​e−x2dx)(∫0∞​e−y2dy)=4∫0∞​∫0∞​e−(x2+y2)dxdy=4∫0∞​∫0∞​e−x2(1+y2/x2)dxdy,{y/x=udy=xdu​=4∫0∞​∫0∞​e−x2(1+u2)xdxdu=(4)(−21​)∫0∞​1+u21​du∫0∞​e−x2(1+u2)d(−x2(1+u2))=−2∫0∞​1+u21​(e−x2(1+u2))0∞​du=2∫0∞​1+u2du​=(2)(2π​)=π∵I>0∴I=π​​

更多解法

广义积分 ∫−∞∞sin⁡xxdx=π\int_{-\infin}^{\infin} \frac{\sin x}{x} dx=\pi∫−∞∞​xsinx​dx=π

利用留数定理:
∫−∞∞sin⁡(x)xdx=Im⁡(∫−∞∞eizzdz)\int_{-\infty}^{\infty} \frac{\sin (x)}{x} d x=\operatorname{Im}\left(\int_{-\infty}^{\infty} \frac{e^{i z}}{z} d z\right)∫−∞∞​xsin(x)​dx=Im(∫−∞∞​zeiz​dz)
函数 xizz\frac{x^{iz}}{z}zxiz​ 只在实轴上有一个简单极点 z=0z=0z=0 ,故:
∫−∞+∞eizzdz=2πi{0+12Res[eizz,0]}=πilim⁡z→0zeizz=πi\int_{-\infin}^{+\infin}\frac{e^{iz}}{z}dz=2\pi i\{ 0+\frac{1}{2}Res[\frac{e^{iz}}{z}, 0] \}=\pi i \lim\limits_{z \to 0}z \frac{e^{iz}}{z}=\pi i∫−∞+∞​zeiz​dz=2πi{0+21​Res[zeiz​,0]}=πiz→0lim​zzeiz​=πi,则:∫−∞∞sin⁡xxdx=π\int_{-\infin}^{\infin} \frac{\sin x}{x} dx=\pi∫−∞∞​xsinx​dx=π

更多解法

敛散性判别

  • 结论一:

∫a+∞dxxln⁡px{收敛,当 p>1发散,当 p⩽1\int_{a}^{+\infty} \frac{d x}{x \ln ^{p} x}\left\{\begin{array}{ll} \text { 收敛,} & \text { 当 } p>1 \\ \text { 发散,} & \text { 当 } p \leqslant 1 \end{array}\right.∫a+∞​xlnpxdx​{ 收敛, 发散,​ 当 p>1 当 p⩽1​

  • 结论二:

无穷区间
∫1+∞dxxp{收敛,当 p>1发散,当 p⩽1\int_{1}^{+\infty} \frac{d x}{x^{p}}\left\{\begin{array}{ll} \text { 收敛,} & \text { 当 } p>1 \\ \text { 发散,} & \text { 当 } p \leqslant 1 \end{array}\right.∫1+∞​xpdx​{ 收敛, 发散,​ 当 p>1 当 p⩽1​
无界函数
∫01dxxp{发散,当 p>1收敛,当 p⩽1\int_{0}^{1} \frac{d x}{x^{p}}\left\{\begin{array}{ll} \text { 发散,} & \text { 当 } p>1 \\ \text { 收敛,} & \text { 当 } p \leqslant 1 \end{array}\right.∫01​xpdx​{ 发散, 收敛,​ 当 p>1 当 p⩽1​

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