微积分复习

因为开学要考试所以不得不复习.jpg

常用

等价无穷小

导数公式

极限

数列极限

数列可以看成整变数的函数

定义:

limnxn=a    ϵ>0,N,n>N,xna<ϵ\lim_{n\to\infty}x_n=a\iff \forall \epsilon>0,\exists N,当n>N时,有|x_n-a|<\epsilon

理解:

不管 ϵ\epsilon 多么小,总会有 xna|x_n-a| 比它小,所以在实际应用时可以限制 ϵ\epsilon 的上界,但是不能限制它的下界。一般用 ϵ\epsilon 来表示 NN,说明不管 ϵ\epsilon 怎么取,都有能找到一个 NN

数列收敛

如果数列收敛,那么数列的极限唯一

证明:

假设有 limnxn=a\lim_{n\to\infty}x_n=alimnxn=b\lim_{n\to\infty}x_n=baba\neq b

那么 ϵ<0,N1\forall\epsilon<0,\exists N_1 满足当 N>N1N>N_1 时,xna<ϵ2|x_n-a|<\frac{\epsilon}2 ,对于 bb 同样存在这样的 N2N_2

0abxa+xbϵ,ϵ0\le|a-b|\le|x-a|+|x-b|\le\epsilon,\epsilon 是可以任意取的,所以 a=ba=b

理解:

这里用 ϵ2\frac{\epsilon}2 的套路会比较常见,可以拆成两半然后每一半是 ϵ2\frac{\epsilon}2,最后拼出来一个 ϵ\epsilon 可以证明极限。

如果数列收敛,那么数列一定有界,反之不一定成立

数列收敛等价于任意子序列都收敛

函数极限

函数趋于无穷大的极限

定义:

limxf(x)=a    ϵ>0,X使得当x>X时,有f(x)A<ϵ\lim_{x\to\infty}f(x)=a\iff \forall \epsilon>0,\exists X 使得当x>|X|时,有|f(x)-A|<\epsilon

函数趋于特定值的极限

定义

limxx0f(x)=a    ϵ>0,δ使得xx0<δ,f(x)A<ϵ\lim_{x\to x_0}f(x)=a\iff \forall \epsilon>0,\exists \delta 使得|x-x_0|< \delta 时,有|f(x)-A|<\epsilon

例:证明 limxx0x=x0\lim_{x\to x_0}\sqrt{x}=\sqrt{x_0}

这种证明需要使用定义,通过考虑 f(x)A|f(x)-A| 的值来确定 δ\delta 的值。

xx0=xx0x+x01x0xx0|\sqrt{x}-\sqrt{x_0}|=|\frac{x-x_0}{\sqrt{x}+\sqrt{x_0}}|\le\frac{1}{\sqrt{x_0}}|x-x_0|

如果让 xx0<ϵ|\sqrt{x}-\sqrt{x_0}|<\epsilon,只需要让 xx0<ϵx0|x-x_0|<\epsilon\sqrt{x_0}

δ\delta 可以取 ϵx0\epsilon\sqrt{x_0},这里还有一个坑,当 ϵ\epsilon 比较大的时候,δ\delta 也会跟着变大,但是根据定义,我们考察的是 x0x_0 的一个邻域 [x0δ,x0+δ][x_0-\delta,x_0+\delta],如果 δ\delta 超过了 x0x_0 会出现定义域溢出的情况,此时 ϵ>x0\epsilon>\sqrt{x_0} ,一种做法是限制 ϵ<x0\epsilon<\sqrt{x_0},限制上界我们是可以做到的,另一种做法是让 δ\deltax0x_0 取最小值,这样的话也是成立的。

特定值极限存在的条件

两个单侧极限都存在并且都相等。

无穷小与无穷大

无穷小

定义:在某一变化过程中,以0为极限的变量称为无穷小量。

运算法则:

  1. 无穷小与无穷小和差积都是无穷小
  2. 无穷小和常数的乘积为无穷小
  3. 有限个无穷小的和差积都是无穷小

高阶无穷小

同阶无穷小:若 limαβ=c0\lim \frac{\alpha}{\beta}=c\ne 0,则称 α\alphaβ\beta 为同阶无穷小。

等价无穷小:若 limαβ=1\lim \frac{\alpha}{\beta}=1,则称 α\alphaβ\beta 为等价无穷小,记作 αβ\alpha \sim \beta

高阶无穷小:若 limαβ=0\lim \frac{\alpha}{\beta}=0,则称 α\alphaβ\beta 的高阶无穷小,记作 α=o(β)\alpha=o(\beta)

kk 阶无穷小:若 limαβk=c\lim \frac{\alpha}{\beta^k}=c,则称 α\alphaβ\betakk 阶无穷小。

在求极限时等价无穷小可以互相替换,证明如下

γ\gammaα\alpha 的等价无穷小,那么 limαβ=limαγγβ=limγβ\lim\frac{\alpha}{\beta}=\lim\frac{\alpha}\gamma\frac{\gamma}{\beta}=\lim\frac{\gamma}{\beta}

无穷大

定义:在某一变化过程中,给定一个数,无论它多么大,该变量都比这个数大,称这个变量为无穷大量。

极限存在准则

连续函数在某一点的极限是在该点的函数值。

重要极限

limx0sinxx=1\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1

证明:

sinx<x<tanx\sin x<x<\tan x,可得 1<xsinx<1cosx1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}

由夹逼准则,可知原式极限为 11

limx(1+1x)x=e\lim_{x\to \infty}(1+\frac{1}x)^x=e

证明:

有空再补(

大概过程是先由整数变量定义了自然对数底数 ee ,然后再证明小数的极限也是 ee

数列单调有界,则数列存在极限

该定理可以用于证明数列存在极限,之后可以设极限为未知量,然后通过已知关系代换得到极限。

函数的连续性

定义

ϵ>0,δ>0,xx0<δ,f(x)f(x0)<ϵ\forall \epsilon>0,\exists \delta>0,当|x-x_0|<\delta时,有|f(x)-f(x_0)|<\epsilon

感性理解一下就是在这个点的时候函数有定义并且不断开。

函数的间断性

定义

有三种情况,没有定义,极限不存在,或者极限不等于函数值。

第一类间断点

可去间断点:函数在某点没定义,例如 f(x)=sinxxf(x)=\frac{\sin x}xx=0x=0 的时候没定义,但是极限是 11,此时如果补充定义 f(0)=1f(0)=1,那么该函数连续,x=0x=0 称为可取间断点。

跳跃间断点:函数在某点断开了,即左右极限都存在但是不相等。

总结:两侧极限都存在的间断点。

第二类间断点

无穷间断点:顾名思义,极限为无穷。

震荡间断点:不存在极限,例如 f(x)=sin1xf(x)=\sin\frac{1}{x}

总结:两侧极限不都存在的间断点。

有界闭区间函数性质

零点定理

设函数 f(x)f(x) 在有界闭区间 [a,b][a,b] 上连续,如果 f(a)f(b)<0f(a)\cdot f(b)<0,则 f(x)f(x) 在开区间 (a,b)(a,b) 内至少有一个零点。

介值定理

设函数 f(x)f(x) 在有界闭区间 [a,b][a,b] 上连续,如果 f(a)=A,f(b)=Bf(a)=A,f(b)=B,则 f(x)=C(A,B)f(x)=C\in(A,B) 在开区间 (a,b)(a,b) 上至少有一个解。

导数与微分

导数初步

切线的重新定义

割线的极限位置定义为切线。

导数定义

函数在某一个位置的瞬时变化率。

形式化的来讲,函数 y=f(x)y=f(x)x0x_0 处可导,导数记作 f(x)f'(x)

f(x0)=limΔx0ΔyΔx=limΔx0f(x0+Δx)f(x0)Δxf'(x_0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}

导数的写法有很多种,不过本质上都是 ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x}

微分定义

函数在某一位置的瞬时变化值。

导数考察的是变化的快慢,而微分考虑的是变化的值。

微分记作 dy=AΔx\mathrm{d} y=A\Delta x

微分与导数的联系

可微一定可导,可导一定可微

连续不一定可导,可导一定连续

导数和微分可以互相转化,dy=ydx\mathrm{d}y=y'\mathrm{d}x

微分和求导的法则

四则运算

微分和求导相似,这里只写求导。

[u(x)+v(x)]=u(x)+v(x)[u(x)+v(x)]'=u'(x)+v'(x)

[u(x)v(x)]=u(x)v(x)[u(x)-v(x)]'=u'(x)-v'(x)

[u(x)v(x)]=u(x)v(x)+u(x)v(x)[u(x)v(x)]'=u(x)v'(x)+u'(x)v(x)

[u(x)v(x)]=u(x)v(x)u(x)v(x)v2(x)[\frac{u(x)}{v(x)}]'=\frac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{v^2(x)}

复合运算

f(g(x))=g(x)f(g(x))f'(g(x))=g'(x)f'(g(x))

或者用链式法则,对其中每个函数分别求导。

高阶导数

主要涉及到莱布尼茨公式

(uv)(n)=k=0n(nk)u(nk)vk(uv)^{(n)}=\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}u^{(n-k)}v^k

隐函数求导

主要涉及到无法表示成 y=f(x)y=f(x) 的形式的函数。

此时要考虑到 yyxx 的函数,求导时要注意含有 yy 的复合函数求导。

参数方程求导

{x=ϕ(t)y=Φ(t)\begin{cases} x=\phi(t)\\ y=\Phi(t) \end{cases}

用参数代换一下就可以了

dydx=dydtdtdx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x}

微分方程

定义

含有未知函数的导数的方程称为微分方程。

未知函数是一元函数,称为常微分方程。

未知函数是多元函数,称为偏微分方程。

最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶。

可分离变量的微分方程

如果一个一阶微分方程可以写成

g(y)dy=f(x)dxg(y)\mathrm{d}y=f(x)\mathrm{d}x

的形式,我们称之为可分离变量的微分方程,两侧同时积分求解。

齐次方程

我们称

dydx=φ(yx)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\varphi(\frac{y}x)

形式的方程为齐次方程,求解的时候利用换元。

u=yxu=\frac{y}{x} ,有

u+xdudx=φ(u)u+x\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}=\varphi(u)

移项后分离变量即可。

可化为齐次的方程

dydx=ax+by+cAx+By+C\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{ax+by+c}{Ax+By+C}

c=Cc=C 的时候是齐次的,否则不齐次。

不齐次的时候作变换,X=x+h,Y=y+kX=x+h,Y=y+k

dYdX=aX+bY+ah+bk+cAX+BY+Ah+Bk+C\frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}X}=\frac{aX+bY+ah+bk+c}{AX+BY+Ah+Bk+C}

解方程组就可以得到 h,kh,k 的值

{ah+bk+c=0Ah+Bk+C=0\begin{cases} ah+bk+c=0\\ Ah+Bk+C=0 \end{cases}

根据克拉默法则,该方程组有解的条件是

a    bA    B0\begin{vmatrix} a\ \ \ \ b\\ A\ \ \ \ B \end{vmatrix} \ne0

当方程组无解时,有

ab=AB\frac{a}{b}=\frac{A}{B}

此时

dydx=ax+by+cλ(ax+by)+C\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{ax+by+c}{\lambda(ax+by)+C}

v=(ax+by)v=(ax+by) 换元即可。

一阶线性微分方程

dydx+P(x)y=Q(x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+P(x)y=Q(x)

称为一阶线性微分方程。

我们首先求其通解,即

dydx+P(x)y=0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+P(x)y=0

显然可得,解为

lny=P(x)dx+C1y=CeP(x)dx\begin{aligned} \ln|y|&=-\int P(x)\mathrm{d}x+C_1\\ y&=Ce^{-\int P(x)\mathrm{d}x} \end{aligned}

此时使用常数变异法求特解

y=u(x)eP(x)dxy=u(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}

代入原方程可得

u(x)eP(x)dxu(x)P(x)eP(x)dx+P(x)u(x)eP(x)dx=Q(x)u(x)eP(x)dx=Q(x)u(x)=Q(x)eP(x)dxdx+Cy=u(x)eP(x)dx=(Q(x)eP(x)dxdx+C)eP(x)dx\begin{aligned} u'(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}-u(x)P(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}+P(x)u(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}&=Q(x)\\ u'(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}&=Q(x)\\ u(x)=\int Q(x)e^{\int P(x)\mathrm{d}x}\mathrm{d}x+C\\ y=u(x)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x}=(\int Q(x)e^{\int P(x)\mathrm{d}x}\mathrm{d}x+C)e^{-\int P(x)\mathrm{d}x} \end{aligned}

这就是一阶线性微分方程的解法,注意这个公式没有必要记住,会推导就行,考场上利用常数变异法现算要比记公式简单,因为计算的过程中会消去很多量。

伯努利方程

dydx+P(x)y=Q(x)yn\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+P(x)y=Q(x)y^n

这个方程和一阶线性微分方程很相似,求解只需要把 yny^n 配凑进去即可,换元 z=y1nz=y^{1-n} 之后就是一阶线性微分方程。

可降阶的高阶微分方程

y(n)=f(x)y^{(n)}=f(x)

积分 nn 次即可。

y=f(x,y)y''=f(x,y')

p=yp=y',之后就是一个关于 pp 的一阶微分方程了。

y=f(y,y)y''=f(y,y')

y=py'=p,再用复合函数求导转化 y=pdpdyy''=p\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}y}

常系数齐次线性微分方程

y+py+qy=0y''+py'+qy=0

由于指数函数求导后只相差常数,所以考虑用指数函数拟合 yy

y+py+qy=0r2erx+rperx+qerx=0r2+pr+q=0\begin{aligned} y''+py'+qy&=0\\ r^2e^{rx}+rpe^{rx}+qe^{rx}&=0\\ r^2+pr+q&=0 \end{aligned}

对于最后这个方程,我们称之为,特征方程。

如果方程含有两个不等实根 r1r2r_1 \ne r_2,那么可以直接得到两个特解 er1x,er2xe^{r_1x},e^{r_2x}

如果有两个相等实根 r1=r2r_1=r_2,那么用常数变异法可得特解 er1x,xer1xe^{r_1x},xe^{r_1x}

如果有两个虚根,α+iβ,αiβ\alpha+i\beta,\alpha-i\beta,根据根的叠加原理,可以得到两个根分别为 eαxcosβx,eαxsinβxe^{\alpha x}\cos\beta x,e^{\alpha x}\sin\beta x,所以通解为 eαx(C1cosβx+C2eαxsinβx)e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2e^{\alpha x}\sin\beta x)

对于更高阶的方程,我们采用多个特征根叠加的方式来解决。

特征方程的根 微分方程通解的对应
单实根 rr 给出一项 CerxCe^{rx}
一对单复根 r1,2=α±iβr_{1,2}=\alpha \pm i\beta 给出两项 eαx(C1cosβx+C2sinβx)e^{\alpha x}(C_1\cos \beta x+C_2\sin \beta x)
kk 重实根 rr 给出 kkerx(C1+C2x+C3x2+Ckxk1)e^{rx}(C_1+C_2x+C_3x^2\dots+C_kx^{k-1})
一对 kk 重复根 r1,2=α±iβr_{1,2}=\alpha \pm i\beta 给出 2k2keαx(C1cosβx+C2sinβxC2k1xk1cosβx+C2kxk1sinβx)e^{\alpha x}(C_1\cos \beta x+C_2\sin \beta x\dots C_{2k-1}x^{k-1}\cos\beta x+C_{2k}x^{k-1}\sin \beta x)

常系数非齐次线性微分方程

根据叠加原理,解此类方程只需要求出特解,然后和通解叠加即可。

这里只给出结论

f(x)=eλxPm(x)f(x)=e^{\lambda x}P_m(x) 类型的,有特解 y=xkQm(x)eλxy*=x^kQ_m(x)e^{\lambda x}

f(x)=eλx(Pl(x)cosωx+Pn(x)sinωx)f(x)=e^{\lambda x}(P_l(x)\cos{\omega x}+P_n(x)\sin\omega x) 类型的,有特解 y=xk(Rm(1)cosωx+Rm(2)sinωx)eλxy*=x^k(R_m^{(1)}\cos \omega x+R_m^{(2)}\sin \omega x)e^{\lambda x}

其中 kk 是特征根 λ\lambda 的重数。

欧拉方程

xny(n)+p1xn1y(n1)++pn1xy+pny=f(x)x^ny^{(n)}+p_1x^{n-1}y^{(n-1)}+\dots+p_{n-1}xy'+p_ny=f(x)

进行换元 x=etx=e^t 可以得到

dydx=dydtdtdx=1xdydtd2ydx2=1x2(d2ydt2dydt)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x}=\frac{1}x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2}&=\frac{1}{x^2}(\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}t^2}-\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}) \end{aligned}

如果用 DD 表示 ddt\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t},即微分算符

xndnydxn=D!(Dn)!yx^n\frac{\mathrm{d}^ny}{\mathrm{d}x^n}=\frac{D!}{(D-n)!}y

再将上述式子展开,即可得到一个常系数微分方程。

微分中值定理

罗尔定理

如果 f(x)f(x)[a,b][a,b] 连续,(a,b)(a,b) 可导且 f(a)=f(b)f(a)=f(b) ,那么存在一点 ξ(a,b)\xi\in(a,b) 使得 f(ξ)=0f'(\xi)=0

拉格朗日中值定理

如果 f(x)f(x)[a,b][a,b] 连续,(a,b)(a,b) 可导 ,那么存在一点 ξ(a,b)\xi\in(a,b) 使得 f(ξ)=f(b)f(a)baf'(\xi)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}

柯西中值定理

如果 f(x),g(x)f(x),g(x)[a,b][a,b] 连续,(a,b)(a,b) 可导且 g(x)0g(x)\ne 0 ,那么存在一点 ξ(a,b)\xi\in(a,b) 使得 f(b)f(a)g(b)g(a)=f(ξ)g(ξ)\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}

洛必达法则

对于 00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 的未定式,有

f(x)g(x)=f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{f'(x)}{g'(x)}

对于 00\frac{0}{0},证明可用柯西中值定理

limxaf(x)f(a)g(x)g(a)=limξaf(ξ)g(ξ)=f(a)g(a)\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{g(x)-g(a)}=\lim_{\xi\to a}\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}=\frac{f'(a)}{g'(a)}

泰勒公式

泰勒展开是用多项式来拟合函数,通过不断求导的方式。

f(x)=i=0+f(i)(x0)(xx0)ii!f(x)=\sum_{i=0}^{+\infty} \frac{f^{(i)}(x_0)(x-x_0)^i}{i!}

一般情况下我们不会写出所有的项,只会保留前几项,对于剩下的余项,有两种写法。

皮亚诺余项 Rn(x)=o(xx0)nR_n(x)=o(x-x_0)^n

拉格朗日余项 Rn=f(n+1)(ξ)(n+1)!(xx0)n+1,ξ[x,x0]R_n=\frac{f'(n+1)(\xi)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1},\xi\in [x,x_0]

曲线

曲线的凹凸性

f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2f(\frac{x_1+x_2}{2})<\frac{f(x_1)+f(x_2)}2

则称函数在此区间上向上凹

判断方法为 f(x)>0f''(x)>0

曲线的拐点

当经过一个点时,曲线的凹凸性改变,称经过了曲线的拐点

有定义可知拐点满足 f(x0)=0f''(x_0)=0

驻点

f(x0)=0f'(x_0)=0 的点

函数的极值点

函数渐近线

垂直渐近线和水平渐近线单独考虑,对于一般的渐近线,有

limx+(f(x)axb)=0limx+(f(x)xxbx)=0limx+f(x)x=alimx+(f(x)ax)=b\lim_{x\to+\infty}(f(x)-ax-b)=0\\ \lim_{x\to+\infty}(\frac{f(x)}{x}-x-\frac{b}{x})=0\\ \lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=a\\ \lim_{x\to+\infty}(f(x)-ax)=b

函数的描绘

  1. 确定定义域
  2. 判断奇偶性、周期性
  3. 求出所有驻点
  4. 求出所有拐点
  5. 求出渐近线
  6. 列表
  7. 作图

曲率

定义

判断曲线的弯曲程度,用 夹角弧长\frac{\tt{夹角}}{\tt{弧长}} 来刻画。

计算

K=φs=Δθs=y(1+y2)32K=\frac{\varphi}{s}=\frac{\Delta \theta}{s}=\frac{|y''|}{(1+y'^2)^{\frac{3}{2}}}

曲率半径

ρ=1K\rho=\frac{1}{K}

在某一点处曲率圆的半径。

曲线长

s=ab1+y2dxs=\int_{a}^{b}\sqrt{1+y'^2}\mathrm{d}x

积分

定积分

定义

f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上有若干分点

a=x0x1x2xn1xn=ba=x_0\le x_1\le x_2\dots\le x_{n-1}\le x_{n}=b

Δxi=xixi1,λ=max{Δxi}\Delta x_i=x_i-x_{i-1},\lambda=\max\{\Delta x_i\}

I=limλ0i=1nf(xi)Δxi=abf(x)dxI=\lim_{\lambda\to 0}\sum_{i=1}^nf(x_i)\Delta x_i=\int_a^bf(x)\mathrm{d}x

注意到无论如何取分点,当 λ0\lambda\to 0 的时候,II 的值固定不变,我们称之为积分和,也叫黎曼和。

为了便于计算,一般分点都是取等分点。

有一些性质如果需要证明的话用定义去证明比较好证,因为定义把积分拆成了可以求和的形式。

定积分中值定理

f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,则至少有一点 ξ[a,b]\xi\in [a,b],使得

abf(x)dx=f(ξ)(ba)\int_a^bf(x)\mathrm{d}x=f(\xi)(b-a)

微积分基本公式

定义 f(x)f(x) 的原函数 F(x)F(x) 满足条件 F(x)=f(x)F'(x)=f(x)

ab=F(b)F(a)\int_a^b=F(b)-F(a),这个式子称为牛顿-莱布尼茨公式,也是微积分基本公式。

不定积分

定义

上面提到了一个函数的原函数定义,而不定积分就是用来求函数的原函数。

我们将 f(x)f(x) 的全体原函数 F(x)F(x) 记作 f(x)f(x) 的不定积分。

f(x)=F(x)+C\int f(x)=F(x)+C

基本积分表

参考开头的导数表。

换元积分

第一类换元积分法

也叫凑微分法,本质是整体代换,改变微分的变量。

f(φ(x))φ(x)dx=f(φ)dφ(x)=[f(u)du]u=φ(x)\int f(\varphi(x))\varphi'(x) \mathrm{d}x=\int f(\varphi)\mathrm{d}\varphi(x)=[\int f(u)\mathrm{d}u]_{u=\varphi(x)}

第二类换元积分法

利用反函数进行代换。

f(x)dx=[f(ϕ(t))ϕ(t)dx]x=ϕ(t)\int f(x) \mathrm{d}x=[\int f(\phi(t))\phi'(t)\mathrm{d}x]_{x=\phi(t)}

利用换元进行等式的证明

证明

0πxf(sinx)dx=π20πf(sinx)dx\int_{0}^\pi xf(\sin x)\mathrm{d}x=\frac{\pi}2\int_{0}^\pi f(\sin x)\mathrm{d}x

0πxf(sinx)dx=π0(πt)f(sin(πt))d(πt)=0ππf(sint)dt0πtf(sint)dt=0ππf(sinx)dx0πxf(sinx)dx\begin{aligned} \int_{0}^\pi xf(\sin x)\mathrm{d}x & = \int_{\pi}^0 (\pi-t)f(\sin (\pi-t))\mathrm{d}{(\pi-t)} \\ & = \int_{0}^{\pi}\pi f(\sin t)\mathrm{d}t-\int_{0}^{\pi}tf(\sin t)\mathrm{d}t\\& =\int_{0}^{\pi}\pi f(\sin x)\mathrm{d}x-\int_{0}^{\pi}xf(\sin x)\mathrm{d}x \end{aligned}

然后移项一下就得到了,

这里的证明主要是通过换元得到一个和原来形式相同的式子,而积分变量是可以随意替换的,所以两个式子等价。

这个式子的证明告诉我们,如果积分区间是 [0,π][0,\pi] ,并且含有 xx,可以直接把 xx 去掉用 π2\frac{\pi}2 来代替。

证明

aa+Tf(x)dx=0Tf(x)dx\int_{a}^{a+T}f(x)\mathrm{d}x=\int_{0}^Tf(x)\mathrm{d}x

aa+Tf(x)dx=a0f(x)dx+0Tf(x)dx+Ta+Tf(x)dx=a0f(x)dx+0Tf(x)dx+0af(x)dx=0Tf(x)dx\begin{aligned} \int_{a}^{a+T}f(x)\mathrm{d}x & = \int_{a}^{0}f(x)\mathrm{d}x+\int_{0}^{T}f(x)\mathrm{d}x+\int_{T}^{a+T}f(x)\mathrm{d}x\\&=\int_{a}^{0}f(x)\mathrm{d}x+\int_{0}^{T}f(x)\mathrm{d}x+\int_{0}^{a}f(x)\mathrm{d}x\\&= \int_{0}^{T}f(x)\mathrm{d}x \end{aligned}

这个证明是一个显然的结论,不过具体的过程书写下来还是有些地方不太清楚,这种证明可以把原积分式子拆掉,然后证明一些余项加起来是 00

分部积分

定义

(uv)=uv+uvuv=(uv)uvuv=uvuvvdu=uvudv(uv)'=u'v+uv'\\ u'v=(uv)'-uv'\\ \int u'v=uv-\int uv'\\ \int v\mathrm{d}u=uv-\int u\mathrm{d}v

重要推论

In=0π2sinnxdx=0π2cosnxdx={n1nn3n23412π2,n为偶数n1nn3n24523,n为奇数\begin{aligned} I_n &= \int_{0}^{\frac{\pi}2}sin^nx\mathrm{d}x=\int_{0}^{\frac{\pi}2}cos^nx\mathrm{d}x\\ &=\begin{cases} \frac{n-1}n \cdot\frac{n-3}{n-2}\dots\frac{3}4\frac{1}2\frac{\pi}2, n为偶数\\ \frac{n-1}n \cdot\frac{n-3}{n-2}\dots\frac{4}5\frac{2}3, n为奇数 \end{cases} \end{aligned}

证明是直接分部积分即可。

有理函数的积分

定义

两个多项式的商 P(x)Q(x)\frac{P(x)}{Q(x)},称为有理分式,下面证明这种分式一定可积。

拆分

通过多项式除法可以将上述分式拆分成多项式和一个真分式的和,多项式的积分是容易求得的,只考虑真分式如何积分。

对于 P(x)Q(x)\frac{P(x)}{Q(x)},对 Q(x)Q(x)实数范围内进行因式分解,最后得到的式子只有两种类型,(xa)k(x-a)^k(x2+px+q)l(x^2+px+q)^l

对于 (xa)k(x-a)^k 进行拆分,可以拆成 kk 个分式的和

A1(xa)+A2(xa)2++A3(xa)k1+A2(xa)k\frac{A_1}{(x-a)}+\frac{A_2}{(x-a)^2}+\dots+\frac{A_3}{(x-a)^{k-1}}+\frac{A_2}{(x-a)^k}

对于 (x2+px+q)l(x^2+px+q)^l 进行拆分,可以拆分成 ll 个分式的和

M1x+N1(x2+px+q)+M2x+N2(x2+px+q)2++Ml1x+Nl1(x2+px+q)l1+Mlx+Nl(x2+px+q)l\frac{M_1x+N_1}{(x^2+px+q)}+\frac{M_2x+N_2}{(x^2+px+q)^2}+\dots+\frac{M_{l-1}x+N_{l-1}}{(x^2+px+q)^{l-1}}+\frac{M_lx+N_l}{(x^2+px+q)^l}

于是只要解决上述分式的积分,就能够完成对有理函数的积分

积分

首先解决第一种类型的,这个比较好解决

Ak(xa)kdx=Akd(xa)(xa)k=Ak1k(xa)1k\int \frac{A_k}{(x-a)^k}\mathrm{d}x=A_k\int \frac{\mathrm{d}(x-a)}{(x-a)^k}=\frac{A_k}{1-k}(x-a)^{1-k}

然后是第二种类型的积分

M1x+N1(x2+px+q)dx\int\frac{M_1x+N_1}{(x^2+px+q)}\mathrm{d}x

先解决分子中的一次项,只需要配凑一下常数,用第一类换元积分即可。

对于常数项,配凑成 1x2+1\frac{1}{x^2+1} 的形式然后积分即可。

注意如果 l>1l>1 ,则需要使用分部积分进行降幂。

因为里面含有两项 xx,所以考虑通过配方转化为一项,这样的好处是简化运算,并且微分变量不变。

即,令 u=x+p2,v=qp24u=x+\frac{p}2,v=q-\frac{p^2}4

dx(x2+px+q)l=du(u2+v)l=u(u2+v)lud1(u2+v)l=u(u2+v)l+2u2l(u2+v)l+1du=u(u2+v)l+2l1(u2+v)ldu2lv1(u2+v)l+1du1(u2+v)l+1du=12lv[u(u2+v)l+(2l1)1(u2+v)ldu]\begin{aligned} \int\frac{\mathrm{d}x}{(x^2+px+q)^l}&=\int{\frac{\mathrm{d}u}{(u^2+v)^l}}\\ &=\frac{u}{(u^2+v)^l}-\int u\mathrm{d}\frac{1}{(u^2+v)^l}\\ &=\frac{u}{(u^2+v)^l}+\int \frac{2u^2l}{(u^2+v)^{l+1}}\mathrm{d}u\\ &=\frac{u}{(u^2+v)^l}+2l\int\frac{1}{(u^2+v)^l}\mathrm{d}u-2lv\int\frac{1}{(u^2+v)^{l+1}}\mathrm{d}u\\ \int \frac{1}{(u^2+v)^{l+1}}\mathrm{d}u&=\frac{1}{2lv}[\frac{u}{(u^2+v)^l}+(2l-1)\int\frac{1}{(u^2+v)^{l}}\mathrm{d}u] \end{aligned}

如此再往回代换即可。

可化为有理函数的积分

如果是三角函数的积分,可以使用万能公式进行代换

如果是根式,可以直接换元然后升幂

如果分母次幂比较大,可以进行倒代换

反常积分

无穷限上的反常积分

a+f(x)dx=limt+atf(x)dx\int_{a}^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x=\lim_{t\to+\infty}\int_{a}^{t}f(x)\mathrm{d}x

若该极限存在,则说明反常积分存在,也称收敛,否则不存在,也称发散。

易错,+1xdx=0\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{1}{x}\mathrm{d}x=0

这个反常积分并不存在。

你只会思考它的值是多少,而并不关注它是否存在

无界函数的反常积分

和上面一样,只是由无穷改为了某个数。


微积分复习
https://suzipei.github.io/2023/02/01/intrecovery/
作者
Su_Zipei
发布于
2023年2月1日
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