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高等数学

目录一元函数积分学定积分的概念与性质定积分的定义定积分的几何意义可积的条件定理题目定积分的性质定理及推论题目微积分基本定理和牛顿-莱布尼茨公式微积分基本定理的微分形式定义,定理及其证明题目微积分基本定理的积分形式定义,定理及其证明题目不定积分的概念与性质不定积分的概念基本积分积分表不定积分的性质换元积分法不定积分换元法第一类换元法定理题目第二类换元法定理题目定积分换元法定理题目奇偶函数定积分性质定理题目周期函数的定积分性质定理题目分部积分法不定积分的分部积分法定积分的分部积分法几种特殊类型函数的积分有理函数的积分方法题目三角函数有理式的积分方法题目简单无理根式的积分方法题目含\(lnx\)或\(e^x\)的函数的积分含\(lnx\)的函数的积分含\(e^x\)的函数的积分反常积分无穷区间上的反常积分无穷区间上的反常积分定义无穷区间上的反常积分的若干性质无界函数的反常积分定义无界函数的反常积分的若干性质题目

一元函数积分学定积分的概念与性质定积分的定义

\(设f(x)为[a,b]上\)有界函数\(在[a,b]上任意插入n-1个分点,a=x_00)\)3.\(\int \frac {{\rm d}x}{(x^2+a^2)^2}(a>0)\)4.教科书P204 例5.4.10主要学习此法中分别令\(x=sec t\)和\(x=-sec t\),都有\(t \in (0,\frac{\pi}{2})\),可以减少不必要的化简麻烦若直接令\(t \in (0,\frac{\pi}{2}) 和 (\frac{\pi}{2},\pi)\),开根号时会多出一个符号,这个符号的消去是在t转化回x的时候5.教科书P219 T1(5)(6)(8)某些复合函数,可以通过换元法转化为一般分部积分的形式

定积分换元法定理

\(设函数f(x)在[a,b]上连续,g(t)为单值函数,且满足\)\((1)g(\alpha)=a,g(\beta)=b,当t \in [\alpha,\beta]时,g(t) \in [a,b]\)\((2)g(t)有连续导数\)\(令x=g(t),则有\int_a^b f(x){\rm d}x = \int_{\alpha}^{\beta} f(g(t))g'(t){\rm d}t\)

PS:(1)连续可弱化为可积(2)替换后上下限对应(3)不定积分第二类换元法要求g(t)单调可导的原因:其实每个x都有对应的t存在即可,但一个x对应多个t表达式需任选一个造成麻烦,为了方便使x一一对应t,即存在反函数,即要求单调。而定积分不做要求,因为定积分不需代回x,g(t)重复对应x无影响。另一方面,不定积分和定积分本质很不一样,前者是对应点,后者对应区间,后者g(t)重复对应x不会造成重复计算是因为g'(t)的修正,重复部分恰好抵消了。

题目

1.教科书P205 例5.4.12\((1-x)^{100}\)转化为\(t^{100}\)扩展性更好***2.\(\int_0^1 \frac{ln(1+x)}{1+x^2}\)令\(x=tan t,0 \leq t \leq \frac {\pi}{4}\);\(\int_0^{\frac {\pi}{4}}ln(1+tan t)=\int_0^{\frac {\pi}{4}}ln(1+tan (\frac {\pi}{4}-t))\);***3.教科书P206 例5.4.15

奇偶函数定积分性质定理

\(设f(x)为连续函数\)\(如果f(x)为奇函数,则\int_0^x f(t){\rm d}t为偶函数\)\(如果f(x)为偶函数,则\int_0^x f(t){\rm d}t为奇函数\)2.\(设f(x)在[-a,a](a>0)上为连续函数,则\)\(\int_{-a}^af(x){\rm d}x = \begin{cases}0 & f(x)为奇函数\\\int_0^af(x){\rm d}x & f(x)为偶函数\\\end{cases}\)

题目

1.\(\int_{-2}^2 xln(1+e^x){\rm d}x\)令t=-x化简后会有意外发现2.\(\int_0^\pi xf(sin x){\rm d}x = \frac{\pi}{2}\int_0^\pi f(sin x){\rm d}x\)令t=\(\pi\) - x3.教科书P209 例5.4.19\(设f(x),g(x)在区间[-a,a](a>0)上连续,g(x)为偶函数,且f(x)+f(-x)=A(A为常数),则\int_{-a}^a f(x)g(x){\rm d}x = A\int_0^a g(x){\rm d}x\)令t=-x可以证得

周期函数的定积分性质定理

\(设f(x)是以T(T>0)为周期的连续函数,则\)\((1)对任意的常数a,有\int_a^{a+T}f(x){\rm d}x = \int_0^T f(x){\rm d}x\)\((2)对任意的正整数n,有\int_a^{a+nT}f(x){\rm d}x = n\int_0^T f(x){\rm d}x\)!!:周期函数求导后还是周期函数,但积分后不一定是可导函数

题目

1.教科书P210 例5.4.20周期函数求导后还是周期函数,但积分后不一定是可导函数,需满足一周期内原来的函数的积分和常数的积分之和为0

分部积分法不定积分的分部积分法

\(\int \frac{x^2}{(1-x)^{20}}{\rm d}x\)

定积分的分部积分法几种特殊类型函数的积分有理函数的积分方法

1.先看分母是否为一次式*二次式,如果是直接待定系数法+相应分式解法2.如果不是一般就不会是分部积分法了,考虑凑微分或倒代换

题目

1.\(\int \frac{1}{(1+x^2)^2} {\rm d}x\)2.\(\int \frac{1}{1+x^4} {\rm d}x\)凑微分\(x+\frac{1}{x}\)加上待定系数法3.\(\int \frac{x^2}{3x^3+4} {\rm d}x\)

三角函数有理式的积分方法

1.基本积分表(6个基本三角函数及其2次方),\(\sqrt{1+sin t},\sqrt{1+cos t}\)2.恒等变形(1)分母化为单项(2)添项(不含常数的三角函数一次有理式)(3)\(sin^2x + cos^2x = 1\)(4)积化和差3.转化为有理函数(1)\(cos x \to {\rm d}sin x,2sin xcos x \to {\rm d}sin^2x\)(2)万能换元法(三角函数一次式的倒数)

题目

1.\(\int\frac{4sin x + 3cos x}{sin x + 2cos x}{\rm d}x\)2.\(\int \frac{1}{sinxcos^3x}{\rm d}x\)\(1=sin^2x + cos^2x\)转化为二次式除以四次式,上下同除\(cos^4x\),换元\(tan x\)3.\(\int \frac{1}{(sinx+cosx)^2}{\rm d}x\)底下使用辅助角公式

简单无理根式的积分方法

1.基本积分表中的形式根号内一次式,根号内二次式及其倒数+\(\frac{x}{sqrt{1+x^2}}\)PS:此条为要背的,出现这种形式时要有迅速的意识,但变形时不建议从这个角度入手2.平方差去除根号3.观察根号内多项式次数(1)根号整体次数严格小于1(或有\(e^x\))时一般令t等于根号整体(2)根号内为x的二次式时一般采用三角代换

题目含\(lnx\)或\(e^x\)的函数的积分含\(lnx\)的函数的积分

目前来看只能将\(lnx\)整体换元或分部积分降次两条路题目:1.\(\int \frac{1+lnx}{(xlnx)^3}{\rm d}x,\int \frac{1-lnx}{(x-lnx)^2}{\rm d}x\)2.\(\int \frac{lnx}{\sqrt{x}}{\rm d}x\)

含\(e^x\)的函数的积分

1.\(\int e^x sinx{\rm d}x\)2.\(\int \frac{1}{1+e^x}{\rm d}x\)

反常积分无穷区间上的反常积分无穷区间上的反常积分定义

\(设函数f(x)在[a,+\infty)上连续,取b>a,称\int_a^{+\infty}f(x){\rm d}x = \underset{b \to +\infty}{lim} \int_a^b f(x){\rm d}x 为f(x)在该区间上的反常积分。\)若极限值存在且为I,就称该反常积分收敛且值为I,否则称为发散\(f(x)在(-\infty,b]上的反常积分定义类似\)\(f(x)在(-\infty,+\infty)上反常积分为\int_{-\infty}^c f(x){\rm d}x + \int_c^{+\infty}f(x){\rm d}x,c为任取的值\)

PS:第三类反常积分的一条性质:其拆开后的两部分都收敛,原来的反常积分才收敛。第三类反常积分定义为什么一定要引入c?

无穷区间上的反常积分的若干性质

(1)\(当常数p>1时,反常积分\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^p}收敛于\frac{1}{p-1}\)(2)\(当常数p \leq 1时,反常积分\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^p}发散\)

2.线性性\(若\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x 和 \int_a^{+\infty}g(x){\rm d}x均收敛,k_1,k_2为任意常数,则\int_a^{+\infty} [k_1f(x)+k_2g(x)]{\rm d}x也收敛且等于两者之和\)

3.大收则小收,小散则大散\(设函数f(x),g(x)在[a,+\infty)上连续,且0 \leq f(x) \leq g(x)\)(1)\(如果\int_a^{+\infty} g(x){\rm d}x收敛,则\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x也收敛\)(2)\(如果\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x发散,则\int_a^{+\infty} g(x){\rm d}x也发散\)

4.\(设f(x)在[a,+\infty)上连续,如果\int_a^{+\infty} |f(x)|{\rm d}x收敛,则\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x也收敛\)PS:补充定义\(设f(x)在[a,+\infty)上连,\)绝对收敛:\(\int_a^{+\infty} |f(x)|{\rm d}x收敛,就称\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x绝对收敛\)条件收敛:\(\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x收敛,\int_a^{+\infty} |f(x)|{\rm d}x发散,就称\int_a^{+\infty} f(x){\rm d}x条件收敛\)

5.\(若f(x)在R上连续且为奇函数,且\int_{-\infty}^{+\infty} f(x){\rm d}x收敛,则必收敛于0\)可利用第三类无穷区间上的瑕积分的定义证明(拆开后变换)

无界函数的反常积分定义

1.\(设函数f(x)在(a,b]上连续,且\underset{x \to a^+}{lim} = \infty,任取\epsilon > 0,使a+\epsilon \in (a,b],称\int_a^b f(x){\rm d}x = \underset{\epsilon \to 0^+}{lim} \int_{a+\epsilon}^{b} f(x){\rm d}x为无界函数f(x)在(a,b]上的反常积分\)2.\(\int_a^b f(x){\rm d}x = \underset{\epsilon \to 0^+}{lim} \int_{a}^{b-\epsilon} f(x){\rm d}x,b为瑕点\)3.\(\int_a^b f(x){\rm d}x = \int_a^c f(x){\rm d}x + \int_c^b f(x){\rm d}x,c为瑕点\)PS:一般地,将综合型反常积分分解为若干个单一型反常积分之和,当且仅当每个单一型反常积分都收敛时,对应的综合型反常积分收敛。

无界函数的反常积分的若干性质

(1)\(当常数q

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