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积分技巧核心知识点总结(7.1-7.5) ​

一、7.1 分部积分法(Integration by Parts) ​

1. 核心公式与推导 ​

由乘积求导公式 ddx(uv)=u′v+uv′ 积分变形而来,核心公式:

∫udv=uv−∫vdu
  • 本质:将复杂的 ∫uv′dx 转化为简单的 ∫u′vdx,适用于“乘积型”被积函数(无明显代换结构)。

2. u 和 dv 选择策略(LIATE 原则,优先级从高到低) ​

  • L(对数函数):如 ln⁡x、loga⁡x
  • I(反三角函数):如 arcsin⁡x、arctan⁡x
  • A(代数函数):如 xn、ax+b
  • T(三角函数):如 sin⁡x、cos⁡x
  • E(指数函数):如 ex、ax
  • 口诀:优先选 u 为 LIATE 靠前的函数,dv 为剩余部分(确保 v 易求、∫vdu 更简单)。

3. 典型示例 ​

(3)循环积分:∫exsin⁡xdx ​

  • 需两次分部积分,设 u=sin⁡x(首次),再设 u=cos⁡x(第二次),最终移项求解:∫exsin⁡xdx=12ex(sin⁡x−cos⁡x)+C

(2)对数函数积分:∫ln⁡xdx ​

  • 选择:u=ln⁡x(对数函数),dv=dx
  • 计算:du=1xdx,v=x∫ln⁡xdx=xln⁡x−∫x⋅1xdx=xln⁡x−x+C

(3)循环积分:∫exsin⁡xdx ​

  • 需两次分部积分,设 u=sin⁡x(首次),再设 u=cos⁡x(第二次),最终移项求解:∫exsin⁡xdx=12ex(sin⁡x−cos⁡x)+C

4. 注意事项 ​

  • 被积函数为单一对数/反三角函数时,dv=dx;
  • 多项式次数较高时,需多次分部积分(每次降低多项式次数);
  • 循环积分需保留原积分项,移项后合并求解。

二、7.2 三角积分(Trigonometric Integrals) ​

1. 核心类型:∫sinm⁡xcosn⁡xdx(m,n 为非负整数) ​

(1)策略:利用三角恒等式 sin2⁡x+cos2⁡x=1 转化 ​

  • 若 m 为奇数(m=2k+1):拆出 sin⁡x 作 du,剩余 sin2k⁡x=(1−cos2⁡x)k
    示例:∫sin3⁡xcos⁡xdx∫sin⁡x(1−cos2⁡x)cos⁡xdx=u=cos⁡x−∫(u−u3)du=cos2⁡x2−cos4⁡x4+C
  • 若 n 为奇数(n=2k+1):拆出 cos⁡x 作 du,剩余 cos2k⁡x=(1−sin2⁡x)k;
  • 若 m,n 均为偶数:用倍角公式降幂(sin2⁡x=1−cos⁡2x2,cos2⁡x=1+cos⁡2x2)。

2. 辅助类型:∫tanm⁡xsecn⁡xdx ​

  • 若 n 为偶数(n=2k):拆出 sec2⁡x 作 du(sec2⁡xdx=d(tan⁡x)),剩余 sec2k−2⁡x=(1+tan2⁡x)k−1;
  • 若 m 为奇数(m=2k+1):拆出 sec⁡xtan⁡x 作 du(sec⁡xtan⁡xdx=d(sec⁡x)),剩余 tan2k⁡x=(sec2⁡x−1)k。

3. 关键恒等式 ​

  • 平方关系:sin2⁡x=1−cos2⁡x,tan2⁡x=sec2⁡x−1;
  • 倍角公式:sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x,cos⁡2x=2cos2⁡x−1=1−2sin2⁡x。

三、7.3 三角代换(Trigonometric Substitution) ​

1. 核心目的 ​

通过三角代换消除被积函数中的根号(如 a2−x2、a2+x2、x2−a2),转化为有理三角积分。

2. 三大代换类型(a>0) ​

根号形式代换公式辅助恒等式dx 转换
a2−x2x=asin⁡θ(θ∈[−π2,π2])1−sin2⁡θ=cos2⁡θdx=acos⁡θdθ
a2+x2x=atan⁡θ(θ∈(−π2,π2))1+tan2⁡θ=sec2⁡θdx=asec2⁡θdθ
x2−a2x=asec⁡θ(θ∈[0,π2)∪(π2,π])sec2⁡θ−1=tan2⁡θdx=asec⁡θtan⁡θdθ

3. 典型示例:∫14−x2dx ​

  • 代换:x=2sin⁡θ,dx=2cos⁡θdθ,4−x2=2cos⁡θ;
  • 计算:∫2cos⁡θ2cos⁡θdθ=∫dθ=θ+C;
  • 回代:θ=arcsin⁡x2,最终结果:arcsin⁡x2+C。

4. 注意事项 ​

  • 代换后需用辅助直角三角形回代原变量(避免保留 θ);
  • 定积分需同步转换积分上下限(可省略回代步骤)。

四、7.4 有理函数积分(Rational Functions Integration) ​

1. 核心步骤:部分分式分解 ​

有理函数形式:P(x)Q(x)(P(x),Q(x) 为多项式),需先转化为“多项式 + 真分式”(真分式:分子次数 < 分母次数)。

(1)预处理:假分式转真分式 ​

若分子次数 ≥ 分母次数,先做多项式除法:P(x)Q(x)=多项式+余式Q(x)
示例:x3−5x+8x2+3x−28=x−3+4x−4x2+3x−28。

(2)分母因式分解(关键) ​

将 Q(x) 分解为一次因式、重复一次因式、二次不可约因式(ax2+bx+c,b2−4ac<0)的乘积。

(3)部分分式分解规则 ​

分母因式类型分解形式
单一次因式 (ax+b)Aax+b(A 为常数)
重复一次因式 (ax+b)kA1ax+b+A2(ax+b)2+⋯+Ak(ax+b)k
单二次因式 ax2+bx+cBx+Cax2+bx+c(B,C 为常数)
重复二次因式 (ax2+bx+c)kB1x+C1ax2+bx+c+⋯+Bkx+Ck(ax2+bx+c)k

2. 示例:∫2x+1(x−1)(x+2)dx ​

  • 分解:设 2x+1(x−1)(x+2)=Ax−1+Bx+2,解得 A=1,B=1;
  • 积分:∫(1x−1+1x+2)dx=ln⁡|x−1|+ln⁡|x+2|+C。

五、7.5 积分策略(Strategy for Integration) ​

1. 优先级流程(从简到繁) ​

  1. 直接积分:对照基本积分公式(如 ∫xndx、∫sin⁡xdx),无需技巧;
  2. 第一类换元(凑微分):观察被积函数是否含“复合函数 + 内层导数”(如 ∫e2xdx=12∫e2xd(2x));
  3. 分部积分:乘积型函数(无凑微分结构),遵循 LIATE 原则;
  4. 三角积分/代换:含三角函数乘积或根号(a2±x2、x2−a2);
  5. 有理函数积分:分式形式,按“多项式除法 + 部分分式分解”步骤求解。

2. 常见题型快速匹配 ​

被积函数特征推荐技巧
对数/反三角函数(单一形式)分部积分(dv=dx)
多项式 × 指数/三角函数分部积分(u 选多项式)
含 sinm⁡xcosn⁡x / tanm⁡xsecn⁡x三角积分(恒等式降幂)
含 a2±x2 / x2−a2三角代换
分式(分子分母为多项式)部分分式分解

3. 关键提醒 ​

  • 灵活组合技巧:如“三角代换 + 分部积分”“换元 + 三角积分”;
  • 无法用初等函数表示的积分:如 ∫ex2dx、∫sin⁡xxdx,需保留原积分形式或用数值方法;
  • 验证结果:对积分结果求导,需与被积函数一致。