高等数学第五章---定积分(§5.3定积分的计算方法)
§5.3 定积分的计算方法
定积分的计算是利用牛顿–莱布尼兹公式
∫ a b f ( x ) d x = F ( x ) ∣ a b = F ( b ) − F ( a ) \int_a^b f(x) d x=\left.F(x)\right|_a^b=F(b)-F(a) ∫abf(x)dx=F(x)∣ab=F(b)−F(a)
即先计算出一个原函数 F ( x ) F(x) F(x),再计算函数差值 F ( b ) − F ( a ) F(b)-F(a) F(b)−F(a)。如何计算原函数 F ( x ) F(x) F(x) 呢?不定积分就是计算原函数 F ( x ) F(x) F(x) 的方法,根据不定积分的计算方法,下面我们给出具体的定积分的计算方法。
1. 直接法
定积分的直接法类似不定积分的直接法,即通过将被积函数适当变形,然后利用不定积分基本公式求出一个原函数 F ( x ) F(x) F(x),再用牛顿–莱布尼兹公式求出定积分的值。
例1
计算下列定积分
( 1 ) ∫ − 1 1 ( x 3 − 3 x 2 ) d x ( 2 ) ∫ − 2 3 ( x − 1 ) 3 d x ( 3 ) ∫ 0 2 π ∣ sin x ∣ d x ( 4 ) ∫ 0 π cos 2 x 2 d x (1) \int_{-1}^1\left(x^3-3 x^2\right) d x \quad (2) \int_{-2}^3(x-1)^3 d x \quad (3) \int_0^{2\pi}|\sin x| d x \quad (4) \int_0^\pi\cos^2\frac{x}{2} d x (1)∫−11(x3−3x2)dx(2)∫−23(x−1)3dx(3)∫02π∣sinx∣dx(4)∫0πcos22xdx
解:
(1)
∫ − 1 1 ( x 3 − 3 x 2 ) d x = ( 1 4 x 4 − x 3 ) ∣ − 1 1 = ( 1 4 − 1 ) − ( 1 4 + 1 ) = − 2 \int_{-1}^1\left(x^3-3 x^2\right) d x=\left.\left(\frac{1}{4} x^4-x^3\right)\right|_{-1}^1=\left(\frac{1}{4}-1\right)-\left(\frac{1}{4}+1\right)=-2 ∫−11(x3−3x2)dx=(41x4−x3) −11=(41−1)−(41+1)=−2
(2)
方法一:展开计算
∫ − 2 3 ( x − 1 ) 3 d x = ∫ − 2 3 ( x 3 − 3 x 2 + 3 x − 1 ) d x = ( x 4 4 − x 3 + 3 2 x 2 − x ) ∣ − 2 3 = ( 81 4 − 27 + 27 2 − 3 ) − ( 16 4 − ( − 8 ) + 12 2 − ( − 2 ) ) = ( 81 − 108 + 54 − 12 4 ) − ( 4 + 8 + 6 + 2 ) = 15 4 − 20 = − 65 4 \int_{-2}^3(x-1)^3 d x=\int_{-2}^3\left(x^3-3 x^2+3 x-1\right) d x=\left.\left(\frac{x^4}{4}-x^3+\frac{3}{2} x^2-x\right)\right|_{-2}^3=\left(\frac{81}{4}-27+\frac{27}{2}-3\right) - \left(\frac{16}{4}-(-8)+\frac{12}{2}-(-2)\right) = \left(\frac{81-108+54-12}{4}\right) - (4+8+6+2) = \frac{15}{4}-20=-\frac{65}{4} ∫−23(x−1)3dx=∫−23(x3−3x2+3x−1)dx=(4x4−x3+23x2−x) −23=(481−27+227−3)−(416−(−8)+212−(−2))=(481−108+54−12)−(4+8+6+2)=415−20=−465
方法二:凑微分(见下节,但也可用于此)
令 u = x − 1 u = x-1 u=x−1, d u = d x du = dx du=dx. 当 x = − 2 , u = − 3 x=-2, u=-3 x=−2,u=−3. 当 x = 3 , u = 2 x=3, u=2 x=3,u=2.
∫ − 3 2 u 3 d u = u 4 4 ∣ − 3 2 = 2 4 4 − ( − 3 ) 4 4 = 16 4 − 81 4 = − 65 4 \int_{-3}^2 u^3 du = \left.\frac{u^4}{4}\right|_{-3}^2 = \frac{2^4}{4} - \frac{(-3)^4}{4} = \frac{16}{4} - \frac{81}{4} = \frac{-65}{4} ∫−32u3du=4u4 −32=424−4(−3)4=416−481=4−65
(3)
由于 ∣ sin x ∣ |\sin x| ∣sinx∣ 在 [ 0 , π ] [0, \pi] [0,π] 上为 sin x \sin x sinx,在 [ π , 2 π ] [\pi, 2\pi] [π,2π] 上为 − sin x -\sin x −sinx:
∫ 0 2 π ∣ sin x ∣ d x = ∫ 0 π sin x d x + ∫ π 2 π ( − sin x ) d x = ( − cos x ) ∣ 0 π + cos x ∣ π 2 π = ( − cos π − ( − cos 0 ) ) + ( cos 2 π − cos π ) = ( − ( − 1 ) − ( − 1 ) ) + ( 1 − ( − 1 ) ) = ( 1 + 1 ) + ( 1 + 1 ) = 2 + 2 = 4 \int_0^{2\pi}|\sin x| d x=\int_0^\pi\sin x d x+\int_\pi^{2\pi}(-\sin x) d x = \left.(-\cos x)\right|_0^\pi+\left.\cos x\right|_\pi^{2\pi} = (-\cos\pi - (-\cos 0)) + (\cos 2\pi - \cos\pi) = (-(-1) - (-1)) + (1 - (-1)) = (1+1)+(1+1) = 2+2=4 ∫02π∣sinx∣dx=∫0πsinxdx+∫π2π(−sinx)dx=(−cosx)∣0π+cosx∣π2π=(−cosπ−(−cos0))+(cos2π−cosπ)=(−(−1)−(−1))+(1−(−1))=(1+1)+(1+1)=2+2=4
(4)
利用半角公式 cos 2 x 2 = 1 + cos x 2 \cos^2\frac{x}{2} = \frac{1+\cos x}{2} cos22x=21+cosx:
∫ 0 π cos 2 x 2 d x = ∫ 0 π 1 + cos x 2 d x = 1 2 ( x + sin x ) ∣ 0 π = 1 2 ( ( π + sin π ) − ( 0 + sin 0 ) ) = 1 2 ( π + 0 − 0 ) = π 2 \int_0^\pi\cos^2\frac{x}{2} d x=\int_0^\pi\frac{1+\cos x}{2} d x=\left.\frac{1}{2}(x+\sin x)\right|_0^\pi=\frac{1}{2}((\pi+\sin\pi)-(0+\sin 0)) = \frac{1}{2}(\pi+0-0) = \frac{\pi}{2} ∫0πcos22xdx=∫0π21+cosxdx=21(x+sinx) 0π=21((π+sinπ)−(0+sin0))=21(π+0−0)=2π
2. 凑微分法 (第一类换元法)
定积分的凑微分法类似不定积分的凑微分法。其核心思想是观察被积函数 f ( x ) f(x) f(x) 是否可以写成 g ( ϕ ( x ) ) ϕ ′ ( x ) g(\phi(x))\phi'(x) g(ϕ(x))ϕ′(x) 的形式,从而通过代换 u = ϕ ( x ) u=\phi(x) u=ϕ(x) 来简化积分。
即 ∫ a b g ( ϕ ( x ) ) ϕ ′ ( x ) d x = ∫ ϕ ( a ) ϕ ( b ) g ( u ) d u \int_a^b g(\phi(x))\phi'(x)dx = \int_{\phi(a)}^{\phi(b)} g(u)du ∫abg(ϕ(x))ϕ′(x)dx=∫ϕ(a)ϕ(b)g(u)du。
在实际操作中,常将 d x dx dx 与一部分被积函数凑成某个新变量的微分 d ( ϕ ( x ) ) d(\phi(x)) d(ϕ(x))。
例2
计算下列定积分
( 1 ) ∫ 0 a x e x 2 d x ( 2 ) ∫ 0 π 2 cos 3 x d x ( 3 ) ∫ − 1 1 x ( x 2 + 1 ) 2 d x ( 4 ) ∫ − 2 1 d x 11 + 5 x (1) \int_0^{\sqrt{a}} x e^{x^2} d x \quad (2) \int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos 3 x d x \quad (3) \int_{-1}^1\frac{x}{\left(x^2+1\right)^2} d x \quad (4) \int_{-2}^1\frac{d x}{11+5 x} (1)∫0axex2dx(2)∫02πcos3xdx(3)∫−11(x2+1)2xdx(4)∫−2111+5xdx
解:
(1)
注意到 ( x 2 ) ′ = 2 x (x^2)' = 2x (x2)′=2x,所以 x d x = 1 2 d ( x 2 ) x dx = \frac{1}{2} d(x^2) xdx=21d(x2)。
令 u = x 2 u=x^2 u=x2。当 x = 0 , u = 0 x=0, u=0 x=0,u=0。当 x = a , u = a x=\sqrt{a}, u=a x=a,u=a.
∫ 0 a x e x 2 d x = ∫ 0 a e x 2 ( x d x ) = 1 2 ∫ 0 a e u d u = 1 2 e u ∣ 0 a = 1 2 ( e a − e 0 ) = 1 2 ( e a − 1 ) \int_0^{\sqrt{a}} x e^{x^2} d x = \int_0^{\sqrt{a}} e^{x^2} (x dx) = \frac{1}{2}\int_0^a e^u du = \left.\frac{1}{2} e^u\right|_0^a = \frac{1}{2}\left(e^a-e^0\right) = \frac{1}{2}\left(e^a-1\right) ∫0axex2dx=∫0aex2(xdx)=21∫0aeudu=21eu 0a=21(ea−e0)=21(ea−1)
原文写法:
∫ 0 a x e x 2 d x = ∫ 0 a 1 2 e x 2 d ( x 2 ) = 1 2 e x 2 ∣ 0 a = 1 2 ( e a − 1 ) \int_0^{\sqrt{a}} x e^{x^2} d x=\int_0^{\sqrt{a}}\frac{1}{2} e^{x^2} d\left(x^2\right)=\left.\frac{1}{2} e^{x^2}\right|_0^{\sqrt{a}}=\frac{1}{2}\left(e^a-1\right) ∫0axex2dx=∫0a21ex2d(x2)=21ex2 0a=21(ea−1)
(2)
注意到 ( 3 x ) ′ = 3 (3x)' = 3 (3x)′=3,所以 d x = 1 3 d ( 3 x ) dx = \frac{1}{3} d(3x) dx=31d(3x)。
令 u = 3 x u=3x u=3x。当 x = 0 , u = 0 x=0, u=0 x=0,u=0。当 x = π / 2 , u = 3 π / 2 x=\pi/2, u=3\pi/2 x=π/2,u=3π/2.
∫ 0 π 2 cos 3 x d x = ∫ 0 π 2 cos ( 3 x ) 1 3 d ( 3 x ) = 1 3 ∫ 0 3 π 2 cos u d u = 1 3 sin u ∣ 0 3 π 2 = 1 3 ( sin 3 π 2 − sin 0 ) = 1 3 ( − 1 − 0 ) = − 1 3 \int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos 3 x d x = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos(3x) \frac{1}{3}d(3x) = \frac{1}{3}\int_0^{\frac{3\pi}{2}}\cos u du = \left.\frac{1}{3}\sin u\right|_0^{\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{3}\left(\sin\frac{3\pi}{2}-\sin 0\right) = \frac{1}{3}(-1-0) = -\frac{1}{3} ∫02πcos3xdx=∫02πcos(3x)31d(3x)=31∫023πcosudu=31sinu 023π=31(sin23π−sin0)=31(−1−0)=−31
原文写法:
∫ 0 π 2 cos 3 x d x = 1 3 ∫ 0 π 2 cos 3 x d ( 3 x ) = 1 3 sin 3 x ∣ 0 π 2 = 1 3 ( sin ( 3 π / 2 ) − sin 0 ) = 1 3 ( − 1 − 0 ) = − 1 3 \int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos 3 x d x=\frac{1}{3}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos 3 x d(3 x)=\left.\frac{1}{3}\sin 3 x\right|_0^{\frac{\pi}{2}}=\frac{1}{3}(\sin(3\pi/2) - \sin 0) = \frac{1}{3}(-1-0)=-\frac{1}{3} ∫02πcos3xdx=31∫02πcos3xd(3x)=31sin3x 02π=31(sin(3π/2)−sin0)=31(−1−0)=−31
(注:原解答中 1 3 ( 0 − 1 ) \frac{1}{3}(0-1) 31(0−1) 可能是中间笔误,但结果正确。已修正为标准求值过程。)
(3)
注意到 ( x 2 + 1 ) ′ = 2 x (x^2+1)' = 2x (x2+1)′=2x,所以 x d x = 1 2 d ( x 2 + 1 ) x dx = \frac{1}{2} d(x^2+1) xdx=21d(x2+1)。
令 u = x 2 + 1 u=x^2+1 u=x2+1。当 x = − 1 , u = 2 x=-1, u=2 x=−1,u=2。当 x = 1 , u = 2 x=1, u=2 x=1,u=2.
∫ − 1 1 x ( x 2 + 1 ) 2 d x = ∫ − 1 1 1 ( x 2 + 1 ) 2 ( x d x ) = 1 2 ∫ x = − 1 x = 1 ( x 2 + 1 ) − 2 d ( x 2 + 1 ) = 1 2 ( x 2 + 1 ) − 1 − 1 ∣ − 1 1 = − 1 2 ( x 2 + 1 ) ∣ − 1 1 = ( − 1 2 ( 1 2 + 1 ) ) − ( − 1 2 ( ( − 1 ) 2 + 1 ) ) = − 1 4 − ( − 1 4 ) = 0 \begin{align*} \int_{-1}^1\frac{x}{\left(x^2+1\right)^2} d x &= \int_{-1}^1\frac{1}{\left(x^2+1\right)^2} (x dx) \\ &=\frac{1}{2}\int_{x=-1}^{x=1}\left(x^2+1\right)^{-2} d\left(x^2+1\right) \\ &= \left.\frac{1}{2} \frac{(x^2+1)^{-1}}{-1} \right|_{-1}^1 \\ &= \left.-\frac{1}{2(x^2+1)}\right|_{-1}^1 \\ &= \left(-\frac{1}{2(1^2+1)}\right) - \left(-\frac{1}{2((-1)^2+1)}\right) \\ &= -\frac{1}{4} - \left(-\frac{1}{4}\right)=0 \end{align*} ∫−11(x2+1)2xdx=∫−11(x2+1)21(xdx)=21∫x=−1x=1(x2+1)−2d(x2+1)=21−1(x2+1)−1 −11=−2(x2+1)1 −11=(−2(12+1)1)−(−2((−1)2+1)1)=−41−(−41)=0
(此题也可由奇偶性判断,被积函数为奇函数,对称区间积分为0)
(4)
注意到 ( 11 + 5 x ) ′ = 5 (11+5x)' = 5 (11+5x)′=5,所以 d x = 1 5 d ( 11 + 5 x ) dx = \frac{1}{5} d(11+5x) dx=51d(11+5x)。
令 u = 11 + 5 x u=11+5x u=11+5x。当 x = − 2 , u = 11 + 5 ( − 2 ) = 1 x=-2, u=11+5(-2)=1 x=−2,u=11+5(−2)=1。当 x = 1 , u = 11 + 5 ( 1 ) = 16 x=1, u=11+5(1)=16 x=1,u=11+5(1)=16.
∫ − 2 1 d x 11 + 5 x = 1 5 ∫ x = − 2 x = 1 d ( 11 + 5 x ) 11 + 5 x = 1 5 ln ∣ 11 + 5 x ∣ ∣ − 2 1 = 1 5 ( ln ∣ 16 ∣ − ln ∣ 1 ∣ ) = 1 5 ln 16 = 1 5 ln 2 4 = 4 ln 2 5 \int_{-2}^1\frac{d x}{11+5 x}=\frac{1}{5}\int_{x=-2}^{x=1}\frac{d(11+5 x)}{11+5 x}=\left.\frac{1}{5}\ln|11+5 x|\right|_{-2}^1=\frac{1}{5}(\ln|16|-\ln|1|) = \frac{1}{5}\ln 16 = \frac{1}{5}\ln 2^4 = \frac{4\ln 2}{5} ∫−2111+5xdx=51∫x=−2x=111+5xd(11+5x)=51ln∣11+5x∣ −21=51(ln∣16∣−ln∣1∣)=51ln16=51ln24=54ln2
3. 变量代换法 (第二类换元法)
定理
设 f ( x ) f(x) f(x) 在 [ a , b ] [a, b] [a,b] 上连续, x = φ ( t ) x=\varphi(t) x=φ(t) 满足条件:
- φ ( α ) = a , φ ( β ) = b \varphi(\alpha)=a, \varphi(\beta)=b φ(α)=a,φ(β)=b,
- φ ( t ) \varphi(t) φ(t) 在 [ α , β ] [\alpha,\beta] [α,β](或 [ β , α ] [\beta,\alpha] [β,α])上具有连续导数且其值域包含 [ a , b ] [a, b] [a,b],
则
∫ a b f ( x ) d x = ∫ α β f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) d t \int_a^b f(x) d x=\int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi^{\prime}(t) d t ∫abf(x)dx=∫αβf(φ(t))φ′(t)dt
证明:
设 f ( x ) f(x) f(x) 的一个原函数为 F ( x ) F(x) F(x),则 F ′ ( x ) = f ( x ) F'(x) = f(x) F′(x)=f(x)。
根据复合函数求导法则, [ F ( φ ( t ) ) ] ′ = F ′ ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) = f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) [F(\varphi(t))]' = F'(\varphi(t))\varphi'(t) = f(\varphi(t))\varphi'(t) [F(φ(t))]′=F′(φ(t))φ′(t)=f(φ(t))φ′(t)。
因此, F ( φ ( t ) ) F(\varphi(t)) F(φ(t)) 是 f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) f(\varphi(t))\varphi'(t) f(φ(t))φ′(t) 的一个原函数。
由牛顿-莱布尼兹公式有:
∫ a b f ( x ) d x = F ( x ) ∣ a b = F ( b ) − F ( a ) \int_a^b f(x) d x=\left.F(x)\right|_a^b=F(b)-F(a) ∫abf(x)dx=F(x)∣ab=F(b)−F(a)
∫ α β f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) d t = F ( φ ( t ) ) ∣ α β = F ( φ ( β ) ) − F ( φ ( α ) ) = F ( b ) − F ( a ) \int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi^{\prime}(t) d t=\left.F(\varphi(t))\right|_\alpha^\beta=F(\varphi(\beta))-F(\varphi(\alpha))=F(b)-F(a) ∫αβf(φ(t))φ′(t)dt=F(φ(t))∣αβ=F(φ(β))−F(φ(α))=F(b)−F(a)
所以,
∫ a b f ( x ) d x = ∫ α β f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) d t \int_a^b f(x) d x=\int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi^{\prime}(t) d t ∫abf(x)dx=∫αβf(φ(t))φ′(t)dt
注:
- 该定理给出定积分的换元积分法,即
∫ a b f ( x ) d x = 令 x = φ ( t ) ∫ α β f ( φ ( t ) ) φ ′ ( t ) d t \int_a^b f(x) d x\stackrel{令\,x=\varphi(t)}{=}\int_\alpha^\beta f(\varphi(t))\varphi^{\prime}(t) d t ∫abf(x)dx=令x=φ(t)∫αβf(φ(t))φ′(t)dt
(实际应用中,我们通常是选择合适的代换 x = φ ( t ) x=\varphi(t) x=φ(t) 或 t = ψ ( x ) t=\psi(x) t=ψ(x) 来简化积分。) - 换元必换限:新的积分限 α , β \alpha, \beta α,β 分别由旧的积分限 a , b a,b a,b 通过 a = φ ( α ) a=\varphi(\alpha) a=φ(α) 和 b = φ ( β ) b=\varphi(\beta) b=φ(β) (或 t = ψ ( x ) t=\psi(x) t=ψ(x) 时, α = ψ ( a ) , β = ψ ( b ) \alpha=\psi(a), \beta=\psi(b) α=ψ(a),β=ψ(b)) 确定。
- 与不定积分换元不同,定积分换元后,算出结果即可,无需将新变量换回原变量。
例3
计算下列定积分
( 1 ) ∫ 0 8 1 1 + x 3 d x ( 2 ) ∫ 0 2 1 x + 1 + ( x + 1 ) 3 d x ( 3 ) ∫ 0 a a 2 − x 2 d x ( a > 0 ) (1) \int_0^8\frac{1}{1+\sqrt[3]{x}} d x \quad (2) \int_0^2\frac{1}{\sqrt{x+1}+\sqrt{(x+1)^3}} d x \quad (3) \int_0^a\sqrt{a^2-x^2} d x \quad (a>0) (1)∫081+3x1dx(2)∫02x+1+(x+1)31dx(3)∫0aa2−x2dx(a>0)
解:
(1) 令 x 3 = t \sqrt[3]{x}=t 3x=t,则 x = t 3 , d x = 3 t 2 d t x=t^3, d x=3 t^2 d t x=t3,dx=3t2dt。
当 x = 0 x=0 x=0 时 t = 0 t=0 t=0;当 x = 8 x=8 x=8 时 t = 8 3 = 2 t=\sqrt[3]{8}=2 t=38=2。
∫ 0 8 1 1 + x 3 d x = ∫ 0 2 1 1 + t ⋅ 3 t 2 d t = 3 ∫ 0 2 t 2 1 + t d t = 3 ∫ 0 2 t 2 − 1 + 1 1 + t d t = 3 ∫ 0 2 ( ( t − 1 ) ( t + 1 ) 1 + t + 1 1 + t ) d t = 3 ∫ 0 2 ( t − 1 + 1 1 + t ) d t = 3 ( t 2 2 − t + ln ∣ 1 + t ∣ ) ∣ 0 2 = 3 [ ( 2 2 2 − 2 + ln ∣ 1 + 2 ∣ ) − ( 0 2 2 − 0 + ln ∣ 1 + 0 ∣ ) ] = 3 [ ( 2 − 2 + ln 3 ) − ( 0 − 0 + ln 1 ) ] = 3 ( ln 3 − 0 ) = 3 ln 3 \begin{align*} \int_0^8\frac{1}{1+\sqrt[3]{x}} d x &= \int_0^2\frac{1}{1+t} \cdot 3 t^2 d t \\ &= 3\int_0^2\frac{t^2}{1+t} d t \\ &= 3\int_0^2\frac{t^2-1+1}{1+t} d t \\ &= 3\int_0^2\left(\frac{(t-1)(t+1)}{1+t}+\frac{1}{1+t}\right) d t \\ &= 3\int_0^2\left(t-1+\frac{1}{1+t}\right) d t \\ &= 3\left.\left(\frac{t^2}{2}-t+\ln|1+t|\right)\right|_0^2 \\ &= 3\left[\left(\frac{2^2}{2}-2+\ln|1+2|\right) - \left(\frac{0^2}{2}-0+\ln|1+0|\right)\right] \\ &= 3\left[(2-2+\ln 3) - (0-0+\ln 1)\right] \\ &= 3(\ln 3 - 0) = 3\ln 3 \end{align*} ∫081+3x1dx=∫021+t1⋅3t2dt=3∫021+tt2dt=3∫021+tt2−1+1dt=3∫02(1+t(t−1)(t+1)+1+t1)dt=3∫02(t−1+1+t1)dt=3(2t2−t+ln∣1+t∣) 02=3[(222−2+ln∣1+2∣)−(202−0+ln∣1+0∣)]=3[(2−2+ln3)−(0−0+ln1)]=3(ln3−0)=3ln3
(2) 令 x + 1 = t \sqrt{x+1}=t x+1=t,则 x + 1 = t 2 ⇒ x = t 2 − 1 , d x = 2 t d t x+1=t^2 \Rightarrow x=t^2-1, d x=2 t d t x+1=t2⇒x=t2−1,dx=2tdt。
当 x = 0 x=0 x=0 时 t = 0 + 1 = 1 t=\sqrt{0+1}=1 t=0+1=1;当 x = 2 x=2 x=2 时 t = 2 + 1 = 3 t=\sqrt{2+1}=\sqrt{3} t=2+1=3。
( x + 1 ) 3 = ( x + 1 ) 3 = t 3 \sqrt{(x+1)^3} = (\sqrt{x+1})^3 = t^3 (x+1)3=(x+1)3=t3。
∫ 0 2 1 x + 1 + ( x + 1 ) 3 d x = ∫ 1 3 1 t + t 3 ⋅ 2 t d t = 2 ∫ 1 3 t t ( 1 + t 2 ) d t = 2 ∫ 1 3 1 1 + t 2 d t = 2 arctan t ∣ 1 3 = 2 ( arctan 3 − arctan 1 ) = 2 ( π 3 − π 4 ) = 2 ( 4 π − 3 π 12 ) = 2 ( π 12 ) = π 6 \begin{align*} \int_0^2\frac{1}{\sqrt{x+1}+\sqrt{(x+1)^3}} d x &= \int_1^{\sqrt{3}}\frac{1}{t+t^3}\cdot 2 t d t \\ &= 2\int_1^{\sqrt{3}}\frac{t}{t(1+t^2)} d t \\ &= 2\int_1^{\sqrt{3}}\frac{1}{1+t^2} d t \\ &= \left.2\arctan t\right|_1^{\sqrt{3}} \\ &= 2(\arctan\sqrt{3}-\arctan 1) \\ &= 2\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4}\right) = 2\left(\frac{4\pi-3\pi}{12}\right) = 2\left(\frac{\pi}{12}\right) = \frac{\pi}{6} \end{align*} ∫02x+1+(x+1)31dx=∫13t+t31⋅2tdt=2∫13t(1+t2)tdt=2∫131+t21dt=2arctant∣13=2(arctan3−arctan1)=2(3π−4π)=2(124π−3π)=2(12π)=6π
(3) 令 x = a sin t ( a > 0 ) x=a\sin t \quad (a>0) x=asint(a>0)。则 d x = a cos t d t d x=a\cos t d t dx=acostdt。
当 x = 0 x=0 x=0 时 a sin t = 0 ⇒ sin t = 0 ⇒ t = 0 a\sin t = 0 \Rightarrow \sin t = 0 \Rightarrow t=0 asint=0⇒sint=0⇒t=0 (选择主值区间 [ − π / 2 , π / 2 ] [-\pi/2, \pi/2] [−π/2,π/2])。
当 x = a x=a x=a 时 a sin t = a ⇒ sin t = 1 ⇒ t = π 2 a\sin t = a \Rightarrow \sin t = 1 \Rightarrow t=\frac{\pi}{2} asint=a⇒sint=1⇒t=2π。
a 2 − x 2 = a 2 − a 2 sin 2 t = a 2 ( 1 − sin 2 t ) = a 2 cos 2 t = ∣ a cos t ∣ \sqrt{a^2-x^2} = \sqrt{a^2-a^2\sin^2 t} = \sqrt{a^2(1-\sin^2 t)} = \sqrt{a^2\cos^2 t} = |a\cos t| a2−x2=a2−a2sin2t=a2(1−sin2t)=a2cos2t=∣acost∣。
由于 t ∈ [ 0 , π / 2 ] t \in [0, \pi/2] t∈[0,π/2], a > 0 a>0 a>0, cos t ≥ 0 \cos t \ge 0 cost≥0,所以 ∣ a cos t ∣ = a cos t |a\cos t| = a\cos t ∣acost∣=acost。
∫ 0 a a 2 − x 2 d x = ∫ 0 π 2 a cos t ⋅ a cos t d t = a 2 ∫ 0 π 2 cos 2 t d t = a 2 ∫ 0 π 2 1 + cos 2 t 2 d t = a 2 2 ( t + 1 2 sin 2 t ) ∣ 0 π 2 = a 2 2 [ ( π 2 + 1 2 sin π ) − ( 0 + 1 2 sin 0 ) ] = a 2 2 [ ( π 2 + 0 ) − ( 0 + 0 ) ] = π a 2 4 \begin{align*} \int_0^a\sqrt{a^2-x^2} d x &= \int_0^{\frac{\pi}{2}} a\cos t \cdot a\cos t d t \\ &= a^2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^2 t d t \\ &= a^2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{1+\cos 2 t}{2} d t \\ &= \frac{a^2}{2}\left.\left(t+\frac{1}{2}\sin 2 t\right)\right|_0^{\frac{\pi}{2}} \\ &= \frac{a^2}{2}\left[\left(\frac{\pi}{2}+\frac{1}{2}\sin\pi\right) - \left(0+\frac{1}{2}\sin 0\right)\right] \\ &= \frac{a^2}{2}\left[\left(\frac{\pi}{2}+0\right) - (0+0)\right] = \frac{\pi a^2}{4} \end{align*} ∫0aa2−x2dx=∫02πacost⋅acostdt=a2∫02πcos2tdt=a2∫02π21+cos2tdt=2a2(t+21sin2t) 02π=2a2[(2π+21sinπ)−(0+21sin0)]=2a2[(2π+0)−(0+0)]=4πa2
(注:该积分的几何意义是半径为 a a a 的圆在第一象限的面积。)
关于换元法的注记: 通过上述例子我们发现,定积分的换元积分法和不定积分的换元积分法一样,该做代数代换就做代数代换,该做三角代换就做三角代换。不同的是:不定积分最后要把 t t t 换回 x x x,而定积分不用换回,因为积分的上下限已经换成 t t t 的范围了。
积分等式证明问题及奇偶性应用
所谓积分等式即含有定积分的等式。要证明积分等式,一般是利用变量代换法,有时再结合定积分的区间可加性来证明。特别地,利用函数的奇偶性可以简化在对称区间上的定积分计算。
例1
设 f ( x ) f(x) f(x) 在 [ − a , a ] [-a, a] [−a,a] 上连续,证明:
- 若 f ( x ) f(x) f(x) 为偶函数 (即 f ( − x ) = f ( x ) f(-x)=f(x) f(−x)=f(x)),则 ∫ − a a f ( x ) d x = 2 ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^a f(x) d x=2\int_0^a f(x) d x ∫−aaf(x)dx=2∫0af(x)dx;
- 若 f ( x ) f(x) f(x) 为奇函数 (即 f ( − x ) = − f ( x ) f(-x)=-f(x) f(−x)=−f(x)),则 ∫ − a a f ( x ) d x = 0 \int_{-a}^a f(x) d x=0 ∫−aaf(x)dx=0。
分析: 观察积分等式,积分区间发生变化。先考虑定积分区间可加性:
∫ − a a f ( x ) d x = ∫ − a 0 f ( x ) d x + ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^a f(x) d x=\int_{-a}^0 f(x) d x+\int_0^a f(x) d x ∫−aaf(x)dx=∫−a0f(x)dx+∫0af(x)dx
因此:
- 要证明 ∫ − a a f ( x ) d x = 2 ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^a f(x) d x=2\int_0^a f(x) d x ∫−aaf(x)dx=2∫0af(x)dx,即需证明 ∫ − a 0 f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^0 f(x) d x=\int_0^a f(x) d x ∫−a0f(x)dx=∫0af(x)dx。
- 要证明 ∫ − a a f ( x ) d x = 0 \int_{-a}^a f(x) d x=0 ∫−aaf(x)dx=0,即需证明 ∫ − a 0 f ( x ) d x = − ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^0 f(x) d x=-\int_0^a f(x) d x ∫−a0f(x)dx=−∫0af(x)dx。
证明:
对于积分 ∫ − a 0 f ( x ) d x \int_{-a}^0 f(x) d x ∫−a0f(x)dx,令 x = − t x=-t x=−t。则 d x = − d t d x=-d t dx=−dt。
当 x = − a x=-a x=−a 时, t = a t=a t=a;当 x = 0 x=0 x=0 时, t = 0 t=0 t=0。
所以,
∫ − a 0 f ( x ) d x = ∫ a 0 f ( − t ) ( − d t ) = − ∫ a 0 f ( − t ) d t = ∫ 0 a f ( − t ) d t \int_{-a}^0 f(x) d x = \int_a^0 f(-t) (-dt) = -\int_a^0 f(-t) dt = \int_0^a f(-t) dt ∫−a0f(x)dx=∫a0f(−t)(−dt)=−∫a0f(−t)dt=∫0af(−t)dt
由于积分变量的符号不影响积分值, ∫ 0 a f ( − t ) d t = ∫ 0 a f ( − x ) d x \int_0^a f(-t) dt = \int_0^a f(-x) dx ∫0af(−t)dt=∫0af(−x)dx。
因此, ∫ − a 0 f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( − x ) d x \int_{-a}^0 f(x) d x = \int_0^a f(-x) dx ∫−a0f(x)dx=∫0af(−x)dx。
-
若 f ( x ) f(x) f(x) 为偶函数,则 f ( − x ) = f ( x ) f(-x)=f(x) f(−x)=f(x)。
∫ − a 0 f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( − x ) d x = ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^0 f(x) d x = \int_0^a f(-x) dx = \int_0^a f(x) dx ∫−a0f(x)dx=∫0af(−x)dx=∫0af(x)dx
所以,
∫ − a a f ( x ) d x = ∫ − a 0 f ( x ) d x + ∫ 0 a f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( x ) d x + ∫ 0 a f ( x ) d x = 2 ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^a f(x) d x=\int_{-a}^0 f(x) d x+\int_0^a f(x) d x = \int_0^a f(x) dx + \int_0^a f(x) dx = 2\int_0^a f(x) d x ∫−aaf(x)dx=∫−a0f(x)dx+∫0af(x)dx=∫0af(x)dx+∫0af(x)dx=2∫0af(x)dx -
若 f ( x ) f(x) f(x) 为奇函数,则 f ( − x ) = − f ( x ) f(-x)=-f(x) f(−x)=−f(x)。
∫ − a 0 f ( x ) d x = ∫ 0 a f ( − x ) d x = ∫ 0 a ( − f ( x ) ) d x = − ∫ 0 a f ( x ) d x \int_{-a}^0 f(x) d x = \int_0^a f(-x) dx = \int_0^a (-f(x)) dx = -\int_0^a f(x) dx ∫−a0f(x)dx=∫0af(−x)dx=∫0a(−f(x))dx=−∫0af(x)dx
所以,
∫ − a a f ( x ) d x = ∫ − a 0 f ( x ) d x + ∫ 0 a f ( x ) d x = − ∫ 0 a f ( x ) d x + ∫ 0 a f ( x ) d x = 0 \int_{-a}^a f(x) d x=\int_{-a}^0 f(x) d x+\int_0^a f(x) d x = -\int_0^a f(x) dx + \int_0^a f(x) dx = 0 ∫−aaf(x)dx=∫−a0f(x)dx+∫0af(x)dx=−∫0af(x)dx+∫0af(x)dx=0
注: 该性质在计算定积分时可以直接利用,但要特别注意积分区间必须关于原点对称,即形式为 [ − a , a ] [-a, a] [−a,a]。
例2
计算
∫ − 1 1 1 1 − x 2 ( 1 1 + e x − 1 2 ) d x \int_{-1}^1\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\left(\frac{1}{1+e^x}-\frac{1}{2}\right) d x ∫−111−x21(1+ex1−21)dx
解:
该题的被积函数相对比较复杂,正常积分难度较大,而积分区间 [ − 1 , 1 ] [-1, 1] [−1,1] 正好关于原点对称,因此可考虑被积函数的奇偶性。
令 h ( x ) = 1 1 − x 2 ( 1 1 + e x − 1 2 ) h(x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\left(\frac{1}{1+e^x}-\frac{1}{2}\right) h(x)=1−x21(1+ex1−21)。
其中 f ( x ) = 1 1 − x 2 f(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} f(x)=1−x21 是偶函数,因为 f ( − x ) = 1 1 − ( − x ) 2 = 1 1 − x 2 = f ( x ) f(-x) = \frac{1}{\sqrt{1-(-x)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} = f(x) f(−x)=1−(−x)21=1−x21=f(x)。
令 g ( x ) = ( 1 1 + e x − 1 2 ) g(x)=\left(\frac{1}{1+e^x}-\frac{1}{2}\right) g(x)=(1+ex1−21)。则
g ( − x ) = ( 1 1 + e − x − 1 2 ) = ( 1 1 + 1 e x − 1 2 ) = ( e x e x + 1 − 1 2 ) = 2 e x − ( e x + 1 ) 2 ( e x + 1 ) = e x − 1 2 ( e x + 1 ) = − 1 − e x 2 ( 1 + e x ) \begin{align*} g(-x) &= \left(\frac{1}{1+e^{-x}}-\frac{1}{2}\right) \\ &= \left(\frac{1}{1+\frac{1}{e^x}}-\frac{1}{2}\right) \\ &= \left(\frac{e^x}{e^x+1}-\frac{1}{2}\right) \\ &= \frac{2e^x-(e^x+1)}{2(e^x+1)} \\ &= \frac{e^x-1}{2(e^x+1)} \\ &= -\frac{1-e^x}{2(1+e^x)} \end{align*} g(−x)=(1+e−x1−21)=(1+ex11−21)=(ex+1ex−21)=2(ex+1)2ex−(ex+1)=2(ex+1)ex−1=−2(1+ex)1−ex
而
− g ( x ) = − ( 1 1 + e x − 1 2 ) = 1 2 − 1 1 + e x = 1 + e x − 2 2 ( 1 + e x ) = e x − 1 2 ( 1 + e x ) -g(x) = -\left(\frac{1}{1+e^x}-\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{2} - \frac{1}{1+e^x} = \frac{1+e^x-2}{2(1+e^x)} = \frac{e^x-1}{2(1+e^x)} −g(x)=−(1+ex1−21)=21−1+ex1=2(1+ex)1+ex−2=2(1+ex)ex−1
所以 g ( − x ) = − g ( x ) g(-x) = -g(x) g(−x)=−g(x),即 g ( x ) g(x) g(x)为奇函数。
被积函数 h ( x ) = f ( x ) g ( x ) h(x) = f(x)g(x) h(x)=f(x)g(x) 是一个偶函数与一个奇函数的乘积,因此 h ( x ) h(x) h(x) 是奇函数。
根据奇函数在对称区间上的积分性质,得
∫ − 1 1 1 1 − x 2 ( 1 1 + e x − 1 2 ) d x = 0 \int_{-1}^1\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\left(\frac{1}{1+e^x}-\frac{1}{2}\right) d x=0 ∫−111−x21(1+ex1−21)dx=0
4. 分部积分法
不定积分的分部积分法回顾
不定积分的分部积分公式为:
∫ u ( x ) v ′ ( x ) d x = u ( x ) v ( x ) − ∫ u ′ ( x ) v ( x ) d x \int u(x) v^{\prime}(x) d x = u(x) v(x) - \int u^{\prime}(x) v(x) d x ∫u(x)v′(x)dx=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x)dx
或者写作 ∫ u d v = u v − ∫ v d u \int u dv = uv - \int v du ∫udv=uv−∫vdu。
定积分的分部积分法
由不定积分的分部积分法可以得到定积分的分部积分法:
∫ a b u ( x ) v ′ ( x ) d x = u ( x ) v ( x ) ∣ a b − ∫ a b u ′ ( x ) v ( x ) d x \int_a^b u(x) v^{\prime}(x) d x = \left.u(x) v(x)\right|_a^b - \int_a^b u^{\prime}(x) v(x) d x ∫abu(x)v′(x)dx=u(x)v(x)∣ab−∫abu′(x)v(x)dx
即
∫ a b u d v = u v ∣ a b − ∫ a b v d u \int_a^b u dv = \left.uv\right|_a^b - \int_a^b v du ∫abudv=uv∣ab−∫abvdu
注: 分部积分法主要用于计算两类不同函数(如幂函数与三角函数/指数函数,对数函数与幂函数等)乘积的积分。 u ( x ) , v ( x ) u(x), v(x) u(x),v(x) 的选取规则同不定积分,一般遵循“反对幂三指”的优先顺序选择被积函数的一部分为 u u u(反三角函数、对数函数、幂函数、三角函数、指数函数)。
例题
例1
计算
∫ 1 5 ln x d x \int_1^5\ln x d x ∫15lnxdx
解:
令 u = ln x u=\ln x u=lnx, d v = d x dv = dx dv=dx。则 d u = 1 x d x du = \frac{1}{x}dx du=x1dx, v = x v=x v=x。
∫ 1 5 ln x d x = [ x ln x ] 1 5 − ∫ 1 5 x ⋅ 1 x d x = ( 5 ln 5 − 1 ln 1 ) − ∫ 1 5 1 d x = 5 ln 5 − 0 − [ x ] 1 5 = 5 ln 5 − ( 5 − 1 ) = 5 ln 5 − 4 \begin{align*} \int_1^5\ln x d x &= \left[x\ln x\right]_1^{5} - \int_1^5 x \cdot \frac{1}{x} d x \\ &= (5\ln 5 - 1\ln 1) - \int_1^5 1 d x \\ &= 5\ln 5 - 0 - \left[x\right]_1^5 \\ &= 5\ln 5 - (5-1) \\ &= 5\ln 5 - 4 \end{align*} ∫15lnxdx=[xlnx]15−∫15x⋅x1dx=(5ln5−1ln1)−∫151dx=5ln5−0−[x]15=5ln5−(5−1)=5ln5−4
原文写法:
∫ 1 5 ln x d x = ∫ 1 5 ln x ⋅ ( x ) ′ d x = x ln x ∣ 1 5 − ∫ 1 5 x ⋅ ( ln x ) ′ d x = 5 ln 5 − ∫ 1 5 x ⋅ 1 x d x = 5 ln 5 − ∫ 1 5 1 d x = 5 ln 5 − 4 \int_1^5\ln x d x=\int_1^5\ln x\cdot (x)^{\prime} d x = \left.x\ln x\right|_1^{5}-\int_1^5 x\cdot (\ln x)^{\prime} d x = 5\ln 5-\int_1^5 x\cdot\frac{1}{x} d x = 5\ln 5-\int_1^5 1 d x = 5\ln 5-4 ∫15lnxdx=∫15lnx⋅(x)′dx=xlnx∣15−∫15x⋅(lnx)′dx=5ln5−∫15x⋅x1dx=5ln5−∫151dx=5ln5−4
例2
计算
∫ 0 1 x e x d x \int_0^1 x e^x d x ∫01xexdx
解:
令 u = x u=x u=x, d v = e x d x dv = e^x dx dv=exdx。则 d u = d x du = dx du=dx, v = e x v=e^x v=ex。
∫ 0 1 x e x d x = [ x e x ] 0 1 − ∫ 0 1 e x d x = ( 1 ⋅ e 1 − 0 ⋅ e 0 ) − [ e x ] 0 1 = e − ( e 1 − e 0 ) = e − ( e − 1 ) = 1 \begin{align*} \int_0^1 x e^x d x &= \left[x e^x\right]_0^1 - \int_0^1 e^x d x \\ &= (1\cdot e^1 - 0\cdot e^0) - \left[e^x\right]_0^1 \\ &= e - (e^1 - e^0) \\ &= e - (e - 1) \\ &= 1 \end{align*} ∫01xexdx=[xex]01−∫01exdx=(1⋅e1−0⋅e0)−[ex]01=e−(e1−e0)=e−(e−1)=1
例3
计算
∫ 0 π x 2 cos x d x \int_0^\pi x^2\cos x d x ∫0πx2cosxdx
解:
第一次分部积分:令 u = x 2 u=x^2 u=x2, d v = cos x d x dv = \cos x dx dv=cosxdx。则 d u = 2 x d x du = 2x dx du=2xdx, v = sin x v=\sin x v=sinx。
∫ 0 π x 2 cos x d x = [ x 2 sin x ] 0 π − ∫ 0 π 2 x sin x d x = ( π 2 sin π − 0 2 sin 0 ) − 2 ∫ 0 π x sin x d x = 0 − 2 ∫ 0 π x sin x d x = − 2 ∫ 0 π x sin x d x \begin{align*} \int_0^\pi x^2\cos x d x &= \left[x^2\sin x\right]_0^\pi - \int_0^\pi 2x\sin x d x \\ &= (\pi^2\sin\pi - 0^2\sin 0) - 2\int_0^\pi x\sin x d x \\ &= 0 - 2\int_0^\pi x\sin x d x \\ &= -2\int_0^\pi x\sin x d x \end{align*} ∫0πx2cosxdx=[x2sinx]0π−∫0π2xsinxdx=(π2sinπ−02sin0)−2∫0πxsinxdx=0−2∫0πxsinxdx=−2∫0πxsinxdx
第二次分部积分 (计算 ∫ 0 π x sin x d x \int_0^\pi x\sin x d x ∫0πxsinxdx):令 u = x u=x u=x, d v = sin x d x dv = \sin x dx dv=sinxdx。则 d u = d x du = dx du=dx, v = − cos x v=-\cos x v=−cosx。
∫ 0 π x sin x d x = [ x ( − cos x ) ] 0 π − ∫ 0 π ( − cos x ) d x = [ − x cos x ] 0 π + ∫ 0 π cos x d x = ( − π cos π − ( − 0 cos 0 ) ) + [ sin x ] 0 π = ( − π ( − 1 ) − 0 ) + ( sin π − sin 0 ) = π + ( 0 − 0 ) = π \begin{align*} \int_0^\pi x\sin x d x &= \left[x(-\cos x)\right]_0^\pi - \int_0^\pi (-\cos x) dx \\ &= \left[-x\cos x\right]_0^\pi + \int_0^\pi \cos x d x \\ &= (-\pi\cos\pi - (-0\cos 0)) + \left[\sin x\right]_0^\pi \\ &= (-\pi(-1) - 0) + (\sin\pi - \sin 0) \\ &= \pi + (0-0) = \pi \end{align*} ∫0πxsinxdx=[x(−cosx)]0π−∫0π(−cosx)dx=[−xcosx]0π+∫0πcosxdx=(−πcosπ−(−0cos0))+[sinx]0π=(−π(−1)−0)+(sinπ−sin0)=π+(0−0)=π
所以,
∫ 0 π x 2 cos x d x = − 2 ( π ) = − 2 π \int_0^\pi x^2\cos x d x = -2(\pi) = -2\pi ∫0πx2cosxdx=−2(π)=−2π
(注:原文中提到“上一步计算中最后结果有误,正确结果应该是 − 2 π + 2 sin x ∣ 0 π = − 2 π -2\pi + 2\sin x\big|_0^\pi=-2\pi −2π+2sinx 0π=−2π”。这里已按正确方法推导并得到 − 2 π -2\pi −2π。)
例4
设 f ( x ) = ∫ 1 x 2 sin t t d t f(x)=\int_1^{x^2}\frac{\sin t}{t} d t f(x)=∫1x2tsintdt,求 ∫ 0 1 x f ( x ) d x \int_0^1 x f(x) d x ∫01xf(x)dx。
解:
该题不可能先将 f ( x ) f(x) f(x) 算出来(因为 ∫ sin t t d t \int\frac{\sin t}{t} d t ∫tsintdt 不是初等函数),再代入定积分中计算。
凡是出现变限积分函数,通常要利用其导数,而定积分中要出现导数常利用分部积分公式。
首先求 f ′ ( x ) f'(x) f′(x)。根据变上限积分求导法则:
f ′ ( x ) = ( ∫ 1 x 2 sin t t d t ) ′ = sin ( x 2 ) x 2 ⋅ ( x 2 ) ′ = sin x 2 x 2 ⋅ 2 x = 2 sin x 2 x f^{\prime}(x)=\left(\int_1^{x^2}\frac{\sin t}{t} d t\right)^{\prime}=\frac{\sin (x^2)}{x^2}\cdot (x^2)^{\prime} = \frac{\sin x^2}{x^2}\cdot 2 x=\frac{2\sin x^2}{x} f′(x)=(∫1x2tsintdt)′=x2sin(x2)⋅(x2)′=x2sinx2⋅2x=x2sinx2
现在计算 ∫ 0 1 x f ( x ) d x \int_0^1 x f(x) d x ∫01xf(x)dx。
令 u = f ( x ) u=f(x) u=f(x), d v = x d x dv = x dx dv=xdx。则 d u = f ′ ( x ) d x du = f'(x)dx du=f′(x)dx, v = x 2 2 v=\frac{x^2}{2} v=2x2。
∫ 0 1 x f ( x ) d x = [ f ( x ) ⋅ x 2 2 ] 0 1 − ∫ 0 1 x 2 2 f ′ ( x ) d x \begin{align*} \int_0^1 x f(x) d x &= \left[f(x) \cdot \frac{x^2}{2}\right]_0^1 - \int_0^1 \frac{x^2}{2} f^{\prime}(x) d x \\ \end{align*} ∫01xf(x)dx=[f(x)⋅2x2]01−∫012x2f′(x)dx
计算边界项:
f ( 1 ) = ∫ 1 1 2 sin t t d t = ∫ 1 1 sin t t d t = 0 f(1) = \int_1^{1^2}\frac{\sin t}{t} d t = \int_1^1\frac{\sin t}{t} d t = 0 f(1)=∫112tsintdt=∫11tsintdt=0。
f ( 0 ) = ∫ 1 0 2 sin t t d t = ∫ 1 0 sin t t d t f(0) = \int_1^{0^2}\frac{\sin t}{t} d t = \int_1^0\frac{\sin t}{t} d t f(0)=∫102tsintdt=∫10tsintdt.
f ( x ) ⋅ x 2 2 ∣ 0 1 = f ( 1 ) ⋅ 1 2 2 − lim x → 0 + f ( x ) ⋅ x 2 2 = 0 ⋅ 1 2 − lim x → 0 + ( ∫ 1 x 2 sin t t d t ⋅ x 2 2 ) \left.f(x) \cdot \frac{x^2}{2}\right|_0^1 = f(1)\cdot\frac{1^2}{2} - \lim_{x\to 0^+} f(x)\cdot\frac{x^2}{2} = 0 \cdot \frac{1}{2} - \lim_{x\to 0^+} \left(\int_1^{x^2}\frac{\sin t}{t} d t \cdot \frac{x^2}{2}\right) f(x)⋅2x2 01=f(1)⋅212−limx→0+f(x)⋅2x2=0⋅21−limx→0+(∫1x2tsintdt⋅2x2)
由于 ∫ 1 0 sin t t d t \int_1^0 \frac{\sin t}{t} dt ∫10tsintdt 是一个常数 (记为 C 0 C_0 C0), lim x → 0 + f ( x ) = C 0 \lim_{x\to 0^+} f(x) = C_0 limx→0+f(x)=C0。
所以 lim x → 0 + f ( x ) ⋅ x 2 2 = C 0 ⋅ 0 = 0 \lim_{x\to 0^+} f(x)\cdot\frac{x^2}{2} = C_0 \cdot 0 = 0 limx→0+f(x)⋅2x2=C0⋅0=0。
因此,边界项 f ( x ) ⋅ x 2 2 ∣ 0 1 = 0 − 0 = 0 \left.f(x) \cdot \frac{x^2}{2}\right|_0^1 = 0 - 0 = 0 f(x)⋅2x2 01=0−0=0。
继续计算积分项:
∫ 0 1 x f ( x ) d x = 0 − ∫ 0 1 x 2 2 ⋅ 2 sin x 2 x d x = − ∫ 0 1 x sin x 2 d x \begin{align*} \int_0^1 x f(x) d x &= 0 - \int_0^1\frac{x^2}{2}\cdot \frac{2\sin x^2}{x} d x \\ &= -\int_0^1 x\sin x^2 d x \end{align*} ∫01xf(x)dx=0−∫012x2⋅x2sinx2dx=−∫01xsinx2dx
对于 ∫ 0 1 x sin x 2 d x \int_0^1 x\sin x^2 d x ∫01xsinx2dx,令 w = x 2 w=x^2 w=x2。则 d w = 2 x d x ⇒ x d x = 1 2 d w dw = 2x dx \Rightarrow x dx = \frac{1}{2}dw dw=2xdx⇒xdx=21dw。
当 x = 0 , w = 0 x=0, w=0 x=0,w=0。当 x = 1 , w = 1 x=1, w=1 x=1,w=1。
− ∫ 0 1 x sin x 2 d x = − ∫ 0 1 sin ( x 2 ) ( x d x ) = − 1 2 ∫ 0 1 sin w d w = − 1 2 [ − cos w ] 0 1 = 1 2 cos w ∣ 0 1 = 1 2 ( cos 1 − cos 0 ) = 1 2 ( cos 1 − 1 ) \begin{align*} -\int_0^1 x\sin x^2 d x &= -\int_0^1 \sin(x^2) (x dx) \\ &= -\frac{1}{2}\int_0^1\sin w dw \\ &= -\frac{1}{2}\left[-\cos w\right]_0^1 \\ &= \left.\frac{1}{2}\cos w\right|_0^1 \\ &= \frac{1}{2}(\cos 1 - \cos 0) \\ &= \frac{1}{2}(\cos 1 - 1) \end{align*} −∫01xsinx2dx=−∫01sin(x2)(xdx)=−21∫01sinwdw=−21[−cosw]01=21cosw 01=21(cos1−cos0)=21(cos1−1)
所以, ∫ 0 1 x f ( x ) d x = 1 2 ( cos 1 − 1 ) \int_0^1 x f(x) d x = \frac{1}{2}(\cos 1 - 1) ∫01xf(x)dx=21(cos1−1)。
总结
定积分的计算方法主要包括:
- 直接法:利用基本积分公式和运算法则。
- 凑微分法 (第一类换元法):将被积函数凑成 g ( ϕ ( x ) ) ϕ ′ ( x ) g(\phi(x))\phi'(x) g(ϕ(x))ϕ′(x) 的形式。
- 变量代换法 (第二类换元法):通过 x = φ ( t ) x=\varphi(t) x=φ(t) 或 t = ψ ( x ) t=\psi(x) t=ψ(x) 进行变量替换,关键在于选取合适的代换并正确改变积分限。
- 分部积分法:用于处理两类不同函数乘积的积分。
在实际计算中,还需注意:
- 换元必换限:进行变量代换时,积分的上下限必须相应改变。
- 奇偶性应用:当积分区间关于原点对称时(如 [ − a , a ] [-a, a] [−a,a]),可利用被积函数的奇偶性简化计算:奇函数积分为0,偶函数积分可简化为 2 ∫ 0 a f ( x ) d x 2\int_0^a f(x)dx 2∫0af(x)dx。
- 变上限积分函数的处理:通常结合分部积分法和变上限积分求导法则。
灵活运用这些方法,并结合积分的性质(如区间可加性),可以有效解决各种定积分问题。