practice makes perfect
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若被积函数在积分区间上是可积的,那么变限积分函数在这个区间上是连续的,变限积分在积分区间上是可导的,并且导数等于被积函数。
不定积分:被积函数在某区间上连续,原函数存在。被积函数在区间上处处有定义,且存在第一类间断点或无穷间断点,在这个区间上原函数不存在。被积函数在某区间上存在振荡间断点,原函数可能存在。
定积分:被积函数连续,定积分存在。被积函数连续,变限积分可导,并且变限积分的导数就是被积函数。被积函数在区间上有界(没有无穷间断点),且只有有限个间断点(第一类间断点或振荡间断点),定积分也存在。
可以发现,被积函数在某区间上连续,不定积分存在,定积分也存在,变限积分可导,连续,变限积分的导数等于被积函数。定积分的限制条件没有不定积分那么严格,可能本质上就是因为单个点不影响面积的计算。
变限积分的求导的公式,
F ( x ) = ∫ α ( x ) β ( x ) f ( t ) d t , F ′ ( x ) = f [ β ( x ) ] β ′ ( x ) − f [ α ( x ) ] α ′ ( x ) F(x)=\int_{\alpha (x)}^{\beta (x)}f(t)dt,F'(x)=f[\beta (x)]\beta '(x)-f[\alpha {(x)}]\alpha '(x) F(x)=∫α(x)β(x)f(t)dt,F′(x)=f[β(x)]β′(x)−f[α(x)]α′(x)
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∫ 0 0 f ( t ) d t = 0 \int_0^0f(t)dt=0 ∫00f(t)dt=0
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F ( x ) = ∫ t a n x x 2 x f ( t ) d t = x ∫ t a n x x 2 f ( t ) d t F(x)=\int_{tanx}^{x^2}xf(t)dt=x\int_{tanx}^{x^2}f(t)dt F(x)=∫tanxx2xf(t)dt=x∫tanxx2f(t)dt
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形如
∫ 0 x f ( x − t ) d t \int _0^{x}f(x-t)dt ∫0xf(x−t)dt
令 x − t = u x-t=u x−t=u, 换元处理。
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[ ∫ 0 x s i n t t + c d t ] ′ = s i n x x + c [\int_0^x\frac{sint}{\sqrt{t+c}}dt]'=\frac{sinx}{\sqrt{x+c}} [∫0xt+csintdt]′=x+csinx
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lim x → 0 + ∫ 0 x u e x − u d u = lim x → 0 + ∫ 0 x u e − u d u \lim_{x\to 0^{+}}\int_0^{x}\sqrt{u}e^{x-u}du=\lim_{x\to0^{+}}\int_0 ^{x}\sqrt{u}e^{-u}du x→0+lim∫0xuex−udu=x→0+lim∫0xue−udu
变限积分可能在洛必达背景下考察。
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无穷积分就是积分上下限里面至少有一个为无穷的变限积分,也有可能积分上下限都是无穷。
∫ 1 x 2 − a 2 d x = 1 2 a l n ∣ x − a x + a ∣ + C , a > 0 \int \frac{1}{x^2-a^2}dx=\frac{1}{2a}ln|\frac{x-a}{x+a}|+C,a>0 ∫x2−a21dx=2a1ln∣x+ax−a∣+C,a>0
∫ 1 x 2 + a 2 d x = 1 a a r c t a n x a + C , a > 0 \int \frac{1}{x^2+a^2}dx=\frac{1}{a}arctan\frac{x}{a}+C,a>0 ∫x2+a21dx=a1arctanax+C,a>0
下面的 a>0 就省略不写了。
∫ 1 a 2 − x 2 d x = a r c s i n x a + C ∫ 1 x 2 + a 2 d x = l n ∣ x + x 2 + a 2 ∣ + C ∫ 1 x 2 − a 2 d x = l n ∣ x + x 2 − a 2 ∣ + C \int \frac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}dx=arcsin\frac{x}{a}+C\\[1cm] \int\frac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx=ln|x+\sqrt{x^2+a^2}|+C\\[1cm] \int \frac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx=ln|x+\sqrt{x^2-a^2}|+C ∫a2−x21dx=arcsinax+C∫x2+a21dx=ln∣x+x2+a2∣+C∫x2−a21dx=ln∣x+x2−a2∣+C
正无穷的时候是 0 ,负无穷的时候是 π \pi π ,等于零的时候是 π 2 \frac{\pi}{2} 2π
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计算反常积分时,我们首先考察瑕点,假设存在瑕点,以瑕点为分界点,将定积分分开,否则直接计算定积分。此题存在瑕点,但是瑕点是积分上限,故对定积分的值没有影响。
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∫ − 1 x 2 d x = 1 x + C \int\frac{-1}{x^2}dx=\frac{1}{x}+C ∫x2−1dx=x1+C
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∫ 1 + ∞ d x x ( 1 + x ) = ∫ 1 + ∞ ( 1 x − 1 1 + x ) d x \int_1^{+\infty}\frac{dx}{x(1+x)}=\int_1^{+\infty}(\frac{1}{x}-\frac{1}{1+x})dx ∫1+∞x(1+x)dx=∫1+∞(x1−1+x1)dx
lim x → + ∞ 1 x ( 1 + x ) ∼ lim x → + ∞ 1 x 2 , 2 > 1 所以收敛 \lim_{x\to +\infty}\frac{1}{x(1+x)}\sim\lim_{x\to +\infty}\frac{1}{x^2},2>1\text{ 所以收敛} x→+∞limx(1+x)1∼x→+∞limx21,2>1 所以收敛
∫ a + ∞ 1 x p d x , p > 1 收敛 \int_a^{+\infty}\frac{1}{x^p}dx,p>1 \text{ 收敛} ∫a+∞xp1dx,p>1 收敛
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lim x → 0 1 x + x 2 ∼ lim x → 0 1 x 和取低阶,1=1 ,所以发散 \lim_{x\to0}\frac{1}{x+x^2}\sim\lim_{x\to 0}\frac{1}{x}\text{ 和取低阶,1=1 ,所以发散} x→0limx+x21∼x→0limx1 和取低阶,1=1 ,所以发散
∫ 0 a 1 x p d x , p < 1 收敛 \int_0^a\frac{1}{x^p}dx,p<1 \text{ 收敛} ∫0axp1dx,p<1 收敛
∫ 0 1 1 x ( x + 1 ) d x = ∫ 0 1 ( 1 x − 1 x + 1 ) d x \int_0^1\frac{1}{x(x+1)dx}=\int_0^1(\frac{1}{x}-\frac{1}{x+1})dx ∫01x(x+1)dx1=∫01(x1−x+11)dx
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∫ a + ∞ 1 x p d x , p > 1 收敛 \int_a^{+\infty}\frac{1}{x^p}dx,p>1 \text{ 收敛} ∫a+∞xp1dx,p>1 收敛
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x = 0 x=0 x=0 不是 f ( x ) = x 3 1 + x 4 f(x)=\frac{x^3}{1+x^4} f(x)=1+x4x3 的瑕点,所以 ∫ 0 + ∞ f ( x ) d x \int_0^{+\infty}f(x)dx ∫0+∞f(x)dx 与 ∫ 1 + ∞ f ( x ) d x \int_1^{+\infty}f(x)dx ∫1+∞f(x)dx 具有相同的敛散性。