# 第三章、一元函数积分学

# 知识点

# 不定积分

# 两个基本概念

  • 原函数: F′(x)=f(x)F'(x)=f(x)
  • 不定积分: ∫f(x)dx=F(x)+C\int f(x)dx=F(x)+C

# 原函数的存在性

  • 若f(x)f(x) 在区间II 上连续,则f(x)f(x) 在区间II 上必有原函数
  • 若f(x)f(x) 在区间II 上有第一类间断点,则f(x)f(x) 在区间II 上没有原函数

# 不定积分的性质

# 基本积分公式

# 三种主要积分法

# 第一类换元法 (凑微分法)
  • 若∫f(u)du=F(u)+C,且φ(x)可导,则若\int f(u)du=F(u)+C, 且\varphi(x)可导, 则
    ∫f(φ(x))φ′(x)dx=∫f(φ(x))dφ(x)=F(φ(x))+C\int f(\varphi(x))\varphi'(x)dx=\int f(\varphi(x))d\varphi(x)=F(\varphi(x))+C
# 第二类换元法
  • 设函数x=φ(x)可导,且φ′(x)≠0,又设设函数x=\varphi(x)可导, 且\varphi'(x)\neq0, 又设
    ∫f(φ(t))φ′(t)dt=F(t)+C\int f(\varphi(t))\varphi'(t)dt=F(t)+C
    则∫f(x)dx=∫f(φ(t))φ′(t)dt=F(φ−1(x))+C则\int f(x)dx=\int f(\varphi(t))\varphi'(t)dt=F(\varphi^{-1}(x))+C
# 分部积分法
  • 设u(x),v(x)有连续一阶导数,则设u(x), v(x)有连续一阶导数, 则
    ∫udv=∫vdu\int udv=\int vdu
  • "反对幂指三"

# 三类常见可积函数的积分

# 有理函数积分∫R(x)dx\int R(x)dx
  • 一般法 (部分分式法)
  • 特殊方法 (加项减项拆或凑微分降幂)
# 三角有理式积分∫R(sinx,cosx)dx\int R(sinx, cosx)dx
  • 一般公式 (万能代换)
    令tanx2=t,sinx=2t1+t2,cosx=1−t21+t2,dx=21+t2dt令tan\frac{x}{2}=t, sinx=\frac{2t}{1+t^2}, cosx=\frac{1-t^2}{1+t^2}, dx=\frac{2}{1+t^2}dt
  • 特殊方法 (三角变形,换元,分部)
    若R(−sinx,cosx)=−R(sinx,cosx),则凑dcosx若R(-sinx, cosx)=-R(sinx, cosx), 则凑dcosx
    若R(sinx,−cosx)=−R(sinx,cosx),则凑dsinx若R(sinx, -cosx)=-R(sinx, cosx), 则凑dsinx
    若R(−sinx,−cosx)=R(sinx,cosx),则凑dtanx若R(-sinx, -cosx)=R(sinx, cosx), 则凑dtanx
# 简单无理函数积分∫R(x,ax+bcx+dn)dx\int R(x, \sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}})dx
  • 令ax+bcx+dn=t\sqrt[n]{\frac{ax+b}{cx+d}}=t

# 定积分

# 定积分概念

  • ∫abf(x)dx≜lim⁡λ→0∑k=tnf(ξk)Δxk\int_{a}^{b}f(x)dx\triangleq\lim_{\lambda \to 0}\sum_{k=t}^{n}f(\xi_k)\Delta x_k
  • (1)∫abf(x)dx=∫abf(t)dt\quad \int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{a}^{b}f(t)dt
  • (2)∫01f(x)dx=lim⁡λ→0∑i=0nf(ξi)Δxi=lim⁡n→∞1n∑i=1nf(in)\quad \int_{0}^{1}f(x)dx=\lim_{\lambda \to 0}\sum_{i=0}^{n}f(\xi_i)\Delta x_i=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}f(\frac{i}{n})

# 定积分的几何意义

  • 对于∫abf(x)dx,b≥a,定积分表示[a,b]间f(x)与x轴所围图形的y轴正数部分减去负数部分对于\int_{a}^{b}f(x)dx, b\ge a, 定积分表示[a,b]间f(x)与x轴所围图形的y轴正数部分减去负数部分

# 定积分的存在性

  • (1)必要条件:f(x)有界\quad必要条件: f(x)有界
  • (2)充分条件:\quad充分条件:
    f(x)在[a,b]上连续f(x)在[a,b]上连续
    f(x)在[a,b]上有界且只有有限个间断点f(x)在[a,b]上有界且只有有限个间断点
    f(x)在[a,b]上仅有有限个第一类间断点f(x)在[a,b]上仅有有限个第一类间断点

# 定积分的计算

  • 牛顿−莱布尼茨公式:∫abf(x)dx=F(b)−F(a)牛顿-莱布尼茨公式: \int_{a}^{b}f(x)dx=F(b)-F(a)
  • 换元积分法:∫abf(x)dx=∫αβf(φ(t))φ′(t)dt换元积分法: \int_{a}^{b}f(x)dx=\int_{\alpha}^{\beta}f(\varphi(t))\varphi'(t)dt
  • 分部积分:∫abudv=uv∣ab−∫abvdu分部积分: \int_{a}^{b}udv=uv|^b_a-\int_{a}^{b}vdu
  • 奇偶性: : {0,f(x)为奇函数时;2∫0af(x)dx,f(x)为奇函数时.\left\{ \begin{aligned} &0&,\quad f(x)为奇函数时;\\ &2\int_{0}^{a}f(x)dx&,\quad f(x)为奇函数时.\\ \end{aligned} \right.
    周期性:∫−aa+Tf(x)dx=∫0Tf(x)dx周期性:\int_{-a}^{a+T}f(x)dx=\int_{0}^{T}f(x)dx
  • 利用公式
    ∫0π2sinnxdx=∫0π2cosnxdx=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}sin^nxdx=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}cos^nxdx= {n−1n⋅n−3n−2…12⋅π2,n偶n−1n⋅n−3n−2…23,n奇\left\{ \begin{aligned} &\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\dots\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2}&,\quad n偶\\ &\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\dots\frac{2}{3}&,\quad n奇\\ \end{aligned} \right.
    ∫0πxf(sinx)dx=π2∫0πf(sinx)dx\int_{0}^{\pi}xf(sinx)dx=\frac{\pi}{2}\int_{0}^{\pi}f(sinx)dx

# 变上限积分函数及其应用

  • 设f(x)在[a,b]上连续,则∫axf(t)dt在[a,b]上可导且(∫axf(t)dt)′=f(x)设f(x)在[a,b]上连续, 则\int_{a}^{x}f(t)dt在[a,b]上可导且(\int_{a}^{x}f(t)dt)'=f(x)

# 定积分的性质

# 不等式
  • 若f(x)≤g(x),则∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx若f(x)\leq g(x), 则\int_{a}^{b}f(x)dx\leq\int_{a}^{b}g(x)dx
  • 若f(x)在[a,b]上连续,则若f(x)在[a,b]上连续, 则
    m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a)m(b-a)\leq\int_{a}^{b}f(x)dx\leq M(b-a)
  • ∣∫abf(x)dx∣≤∫ab∣f(x)∣dx|\int_{a}^{b}f(x)dx|\leq\int_{a}^{b}|f(x)|dx
# 中值定理
  • 若f(x)在[a,b]上连续,则若f(x)在[a,b]上连续, 则
    ∫abf(x)dx=f(c)(b−a),a<c<b\int_{a}^{b}f(x)dx=f(c)(b-a), a<c<b
  • 若f(x),g(x)在[a,b]上连续,g(x)不变号,则若f(x), g(x)在[a,b]上连续, g(x)不变号, 则
    ∫abf(x)g(x)dx=f(c)∫abg(x)dx,a<c<b\int_{a}^{b}f(x)g(x)dx=f(c)\int_{a}^{b}g(x)dx, a<c<b

# 可导,连续,可积,原函数存在性,间断点

# 反常积分

# 无穷区间上的反常积分

# 定义
  • ∫a+∞f(x)dx=lim⁡t→+∞∫atf(x)dx\int_{a}^{+\infty}f(x)dx=\lim_{t \to +\infty}\int_{a}^tf(x)dx
  • ∫−∞bf(x)dx=lim⁡t→−∞∫btf(x)dx\int_{-\infty}^{b}f(x)dx=\lim_{t \to -\infty}\int_{b}^tf(x)dx
  • ∫−∞+∞f(x)dx=∫−∞0f(x)dx+∫0+∞f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)dx=\int_{-\infty}^0f(x)dx+\int_0^{+\infty}f(x)dx
# 比较判别法
  • 设f(x),g(x)在[a,+∞)上连续,且0≤f(x)≤g(x),则设f(x), g(x)在[a,+\infty)上连续, 且0\leq f(x) \leq g(x), 则
    ∫a+∞g(x)收敛⇒∫a+∞f(x)dx收敛\int_a^{+\infty}g(x)收敛\Rightarrow\int_a^{+\infty}f(x)dx收敛
    ∫a+∞f(x)发散⇒∫a+∞g(x)dx发散\int_a^{+\infty}f(x)发散\Rightarrow\int_a^{+\infty}g(x)dx发散
# 比较判别法的极限形式
  • 设f(x),g(x)在[a,+∞)非负连续,lim⁡x→+∞f(x)g(x)=λ,则设f(x), g(x)在[a, +\infty)非负连续, \lim_{x \to +\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lambda, 则
    当λ>0时,∫a+∞f(x)dx与∫a+∞g(x)dx同敛散当\lambda>0时, \int_a^{+\infty}f(x)dx与\int_a^{+\infty}g(x)dx同敛散
    当λ=0时,∫a+∞f(x)dx收敛⇒∫a+∞g(x)dx收敛当\lambda=0时, \int_a^{+\infty}f(x)dx收敛\Rightarrow\int_a^{+\infty}g(x)dx收敛
    当λ=+∞时,,∫a+∞g(x)dx发散⇒∫a+∞f(x)dx发散当\lambda=+\infty时, , \int_a^{+\infty}g(x)dx发散\Rightarrow\int_a^{+\infty}f(x)dx发散
# P 积分
  • ∫a+∞1xPdx{P>1,收敛P≤1,发散(a>0)\int_a^{+\infty}\frac{1}{x^P}dx\left\{ \begin{aligned} &P> 1 &,\quad 收敛 \\ &P\leq 1 &,\quad 发散 \\ \end{aligned} \quad (a>0) \right.

# 无界函数的反常积分

# 定义
  • 设点a为函数f(x)的瑕点设点a为函数f(x)的瑕点
    ∫abf(x)dx=lim⁡t→a+∫tbf(x)dx\int_a^bf(x)dx=\lim_{t \to a^+}\int_t^bf(x)dx
  • 设点b为函数f(x)的瑕点设点b为函数f(x)的瑕点
    ∫abf(x)dx=lim⁡t→b−∫atf(x)dx\int_a^bf(x)dx=\lim_{t \to b^-}\int_a^tf(x)dx
  • 设点c为函数f(x)的瑕点(a<c<b)设点c为函数f(x)的瑕点\quad(a<c<b)
    ∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx\int_a^bf(x)dx=\int_a^cf(x)dx+\int_c^bf(x)dx
# 比较判别法
  • 设f(x),g(x)在(a,b]上连续,且0≤f(x)≤g(x),则设f(x), g(x)在(a,b]上连续, 且0\leq f(x) \leq g(x), 则
    ∫abg(x)收敛⇒∫abf(x)dx收敛\int_a^{b}g(x)收敛\Rightarrow\int_a^{b}f(x)dx收敛
    ∫abf(x)发散⇒∫abg(x)dx发散\int_a^{b}f(x)发散\Rightarrow\int_a^{b}g(x)dx发散
# 比较判别法的极限形式
  • 设f(x),g(x)在(a,b]非负连续,lim⁡x→a+f(x)g(x)=λ,则设f(x), g(x)在(a,b]非负连续, \lim_{x \to a^+}\frac{f(x)}{g(x)}=\lambda, 则
    当λ>0时,∫abf(x)dx与∫abg(x)dx同敛散当\lambda>0时, \int_a^{b}f(x)dx与\int_a^{b}g(x)dx同敛散
    当λ=0时,∫abf(x)dx收敛⇒∫abg(x)dx收敛当\lambda=0时, \int_a^{b}f(x)dx收敛\Rightarrow\int_a^{b}g(x)dx收敛
    当λ=b时,,∫abg(x)dx发散⇒∫abf(x)dx发散当\lambda=b时, , \int_a^{b}g(x)dx发散\Rightarrow\int_a^{b}f(x)dx发散
# P 积分
  • ∫ab1xPdx,∫ab1(b−x)Pdx{P≥1,发散P<1,收敛\int_a^{b}\frac{1}{x^P}dx, \int_a^b\frac{1}{(b-x)^P}dx\quad\left\{ \begin{aligned} &P\ge 1 &,\quad 发散 \\ &P< 1 &,\quad 收敛 \\ \end{aligned} \right.
# Γ函数\Gamma函数
  • 定义: Γ(S)=∫0+∞xS−1e−xdxs>0\Gamma(S)=\int_0^{+\infty}x^{S-1}e^{-x}dx\quad s>0
  • 递推公式:
    Γ(S+1)=SΓ(S)\Gamma(S+1)=S\Gamma(S)
    Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1)=n!

# 定积分应用

# 高等数学常见曲线

  • 星形线
    {x=acos3ty=asin3t\left\{\begin{aligned} & x=acos^3t\\ & y=asin^3t\\ \end{aligned} \right.
    x23+y23=a23x^{\frac{2}{3}}+y^{\frac{2}{3}}=a^{\frac{2}{3}}
  • 摆线
    {x=a(t−sint)y=a(1−cost)0≤t≤2π\left\{\begin{aligned} & x=a(t-sint)\\ & y=a(1-cost)\\ \end{aligned} \quad 0\leq t\leq2\pi \right.
  • 双扭线
    (x2+y2)2=a2(x2−y2)(x^2+y^2)^2=a^2(x^2-y^2)
    ρ2=a2cos2θ\rho^2=a^2cos2\theta
  • 心形线
    r=a(1+cosθ)a>0r=a(1+cos\theta)\quad a>0

# 几何应用

# 平面域的面积
  • 设有平面域D,则该平面域D的面积为设有平面域D, 则该平面域D的面积为
    S=∬D1dσS=\iint\limits_D1d\sigma
  • 若平面域D由曲线y=f(x),y=g(x)(f(x)>g(x)),x=a,x=b(a<b)所围成,则若平面域D由曲线y=f(x), y=g(x)\quad(f(x)>g(x)), x=a, x=b\quad(a<b)所围成, 则
    S=∬D1dσ=∫abdx∫g(x)g(x)dy=∫ab[f(x)−g(x)]dxS=\iint\limits_D1d\sigma=\int_a^bdx\int_{g(x)}^{g(x)}dy=\int_a^b[f(x)-g(x)]dx
  • 若平面域D由曲线r=r(θ),θ=α,θ=β(α<β)所围成,其面积为若平面域D由曲线r=r(\theta), \theta=\alpha, \theta=\beta\quad(\alpha<\beta)所围成, 其面积为
    S=∬D1dσ=∫αβθ∫0r(θ)rdr=12∫αβr2(θ)dθS=\iint\limits_D1d\sigma=\int_\alpha^\beta\theta\int_0^{r(\theta)}rdr=\frac{1}{2}\int_\alpha^\beta r^2(\theta)d\theta
# 空间体的体积
  • 旋转体的体积: 平面域D绕直线L:ax+by+c=0(该支线不穿过区域D)旋转所得旋转体体积记为V平面域D绕直线L: ax+by+c=0(该支线不穿过区域D)旋转所得旋转体体积记为V
    dV=2πr(x,y)dσdV=2\pi r(x,y)d\sigma
    V=2π∬Dydσr(x,y)=∣ax+by+c∣a2+b2V=2\pi\iint\limits_Dyd\sigma\qquad r(x,y)=\frac{|ax+by+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}
    Vx=2π∫abdx∫0f(x)ydy=π∫abf2(x)dxV_x=2\pi\int_a^bdx\int_0^{f(x)}ydy=\pi\int_a^bf^2(x)dx
    Vy=2π∫abdx∫0f(x)xdy=2π∫abxf(x)dxV_y=2\pi\int_a^bdx\int_0^{f(x)}xdy=2\pi\int_a^bxf(x)dx
  • 已知横截面面积的体积
    V=∫abS(x)dx(注意这里是弧积分)V=\int_a^bS(x)dx\qquad(注意这里是弧积分)
  • 曲线弧长
    C:y=y(x),a≤x≤bs=∫ab1+y′2dxC:y=y(x), \qquad a\leq x\leq b\qquad s=\int_a^b\sqrt{1+y'^2}dx
    C:{x=x(t)y=y(t)α≤t≤βs=∫αβx′2+y′2dtC:\left\{\begin{aligned} & x=x(t)\\ & y=y(t)\\ \end{aligned} \qquad \alpha\leq t\leq\beta \right.\quad s=\int_\alpha^\beta\sqrt{x'^2+y'^2}dt
    C:r=r(θ),α≤θ≤βs=∫αβr2+r′2dθC:r=r(\theta),\qquad\alpha\leq\theta\leq\beta\quad s=\int_\alpha^\beta\sqrt{r^2+r'^2}d\theta
  • 旋转体侧面积
    S=2π∫abf(x)1+f′2(x)dxS=2\pi\int_a^bf(x)\sqrt{1+f'^2(x)}dx

# 物理应用

# 压力
  • 压力F=PS,P为压强,S为受力面积压力F=PS, P为压强, S为受力面积
  • 压强P=ρgh,ρ为密度,g为重力加速度,h为深度压强P=\rho gh, \rho为密度, g为重力加速度, h为深度
# 变力作功
  • 功W=Fx,F为力,x为位移功W=Fx, F为力, x为位移
# 引力

# 考点

# 不定积分

# 计算不定积分

  • 补充:∫asinx+bcosxcsinx+dcosxdx=∫A(ccosx−dsinx)+B(csinx+dcosx)csinx+dcosx补充: \int\frac{\mathit{a}sinx+\mathit{b}cosx}{\mathit{c}sinx+\mathit{d}cosx}dx=\int\frac{A(\mathit{c}cosx-\mathit{d}sinx)+B(\mathit{c}sinx+\mathit{d}cosx)}{\mathit{c}sinx+\mathit{d}cosx}

# 不定积分杂例

# 定积分

# 定积分的概念,性质及几何意义

# 定积分计算

# 变上限定积分函数及其应用

# 连续性
  • 设f(x)在[a,b]上可积,则∫axf(t)dt在[a,b]上连续设f(x)在[a,b]上可积, 则\int_a^xf(t)dt在[a,b]上连续
# 可导性
  • 设f(x)在[a,b]上连续,则∫axf(t)dt在[a,b]上可导且(∫axf(t)dt)′=f(x)设f(x)在[a,b]上连续, 则\int_a^xf(t)dt在[a,b]上可导且(\int_a^xf(t)dt)'=f(x)
# 有关F(x)=∫axf(t)dt在一点处可导性的结论有关F(x)=\int_a^xf(t)dt在一点处可导性的结论

如果f(x)在[a,b]上除点x=x0∈(a,b)外均连续,则在x=x0点处如果f(x)在[a,b]上除点x=x_0\in(a,b)外均连续, 则在x=x_0点处

  • 连续⟶可导,且F′(x0)=f(x0)连续\longrightarrow可导, 且F'(x_0)=f(x_0)
  • 可去⟶可导,且F′(x0)=lim⁡x→x0f(x)可去\longrightarrow可导, 且F'(x_0)=\lim_{x \to x_0}f(x)
  • 跳跃⟶连续但不可导,且F−′(x0)=f(x0−)F+′(x0)=f(x0+)跳跃\longrightarrow连续但不可导, 且F'_-(x_0)=f(x_0^-)\quad F'_+(x_0)=f(x_0^+)
# 奇偶性
  • 设f(x)连续,则设f(x)连续, 则
    若f(x)为奇函数,则∫axf(t)dt为偶函数若f(x)为奇函数, 则\int_a^xf(t)dt为偶函数
    若f(x)为偶函数,则∫axf(t)dt为奇函数若f(x)为偶函数, 则\int_a^xf(t)dt为奇函数

# 积分不等式

  • 顶积分不等式性质
  • 变量代换
  • 积分中值定理
  • 变上限积分
  • 柯西积分不等式
    (∫abf(x)g(x)dx)2≤∫abf2f(x)dx∫abg2(x)dx(\int_a^bf(x)g(x)dx)^2\leq\int_a^bf^2f(x)dx\int_a^bg^2(x)dx

# 反常积分

# 反常积分的敛散性

# 反常积分的计算

# 定积分应用

# 几何应用

# 物理应用

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