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第一节 不定积分的概念与性质

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I. 原函数与不定积分

1.1 原函数的概念

xI\forall x \in IF(x)=f(x)F'(x) = f(x)dF(x)=f(x)dx\mathrm{d}F(x) = f(x)\mathrm{d}x,则称f(x)f(x)F(x)F(x)的导函数,F(x)F(x)称为f(x)f(x)在区间II上的原函数

Tip

原函数存在定理

  1. 连续函数必有原函数(反之并不成立)
  2. 函数存在第一类间断点时一定没有原函数;存在第二类间断点时未必没有原函数
  • 例1:设f(x)f(x)的一个原函数为3x3^x,则f(x)f'(x)为_____.

    Answer

    已知(3x)=f(x)(3^x)' = f(x),则f(x)=(3x)f'(x) = (3^x)'',即:

  • 例2:当x(0,1)x \in (0, 1)时,试证明:函数arcsin(2x1)\arcsin (2x - 1)arccos(12x)\arccos (1 - 2x)2arctanx1x2 \arctan \sqrt{\dfrac{x}{1 - x}}都是1xx2\dfrac{1}{\sqrt{x - x^2}}的原函数。

    Answer

    话不多说,直接对着就是导:

    显然可见,这哥仨导完都是1xx2\dfrac{1}{\sqrt{x - x^2}},所以它们都是1xx2\dfrac{1}{\sqrt{x - x^2}}的原函数

  • 例3:设函数f(x)=e1/x1e1/x+1f(x) = \dfrac{e^{1/x} - 1}{e^{1/x} +1}

    则在区间(1,1)(-1, 1)内:

    • (A)f(x)f(x)g(x)g(x)都存在原函数
    • (B)f(x)f(x)g(x)g(x)都不存在原函数
    • (C)f(x)f(x)存在原函数,g(x)g(x)不存在原函数
    • (D)f(x)f(x)不存在原函数,g(x)g(x)存在原函数
    Answer

    对于函数f(x)f(x)

    显然可见,因为limx0f(x)limx0+f(x)\lim_{x \to 0^-} f(x) \neq \lim_{x \to 0^+} f(x),所以x=0x = 0是第一类间断点,所以f(x)f(x)(1,1)(-1, 1)内不存在原函数;

    对于函数g(x)g(x)

    显然可见,因为limx0g(x)=limx0+g(x)=g(0)=0\lim_{x \to 0^-} g(x) = \lim_{x \to 0^+} g(x) = g(0) = 0,所以g(x)g(x)x=0x = 0处连续,所以g(x)g(x)(1,1)(-1, 1)内存在原函数;所以最终选D

1.2 不定积分的概念

在区间II上,函数f(x)f(x)的带有任意常数项的原函数称为f(x)f(x)在区间II上的不定积分,记作f(x)dx\int f(x) \mathrm{d}x,其中记号\int为积分符号,f(x)f(x)为被积函数,f(x)dxf(x) \mathrm{d}x为被积表达式,xx为积分变量,即:

Tip

F(x)F(x)G(x)G(x)都是函数f(x)f(x)的原函数,则F(x)F(x)G(x)G(x)之间相差一个常数

Proof

H(x)=F(x)G(x)H(x) = F(x) - G(x),则:

由于H(x)H(x)的导数恒为零,则H(x)H(x)恒等于一个常数,即:一个函数的任意两个原函数之间只相差一个常数

  • 例4:已知函数:

    f(x)f(x)的一个原函数是_____.

    • (A)

    • (B)

    • (C)

    • (D)

    Answer

    话不多说,直接开导:

    显然可见,根据求导的结果可知,只有A、D满足要求,接下来判断它们的连续性:

    所以最终仅有D满足要求,则选D

II. 不定积分的性质

以下均假定函数f(x)f(x)(或f(x)f'(x))、g(x)g(x)在所讨论的区间上连续:

  • 例5:如果f(x)f(x)的一个原函数是xlnxxx \ln x - x,则f(x)dx\int f'(x) \mathrm{d}x为_____.

    • (A)xlnx+Cx \ln x + C
    • (B)lnx+C\ln x + C
    • (C)xlnx+x+Cx \ln x + x + C
    • (D)xlnx+C-x \ln x + C
    Answer

III. 基本积分表

kdx=kx+C\int k \mathrm{d}x = kx + Ckk为常数)dxx=lnabs(x)+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{x} = \ln \mathrm{abs}(x) + C
xηdx=xη+1η+1+C\int x^{\eta} \mathrm{d}x = \dfrac{x^{\eta + 1}}{\eta + 1} + Cη1\eta \neq -1cosxdx=sinx+C\int \cos x \mathrm{d}x = \sin x + C
sinxdx=cosx+C\int \sin x \mathrm{d}x = -\cos x + Csec2xdx=tanx+C\int \sec^2 x \mathrm{d}x = \tan x + C
csc2xdx=cotx+C\int \csc^2 x \mathrm{d}x = -\cot x + Csecxtanxdx=secx+C\int \sec x \tan x \mathrm{d}x = \sec x + C
cscxcotxdx=cscx+C\int \csc x \cot x \mathrm{d}x = -\csc x + Caxdx=axlna+C\int a^x \mathrm{d}x = \dfrac{a^x}{\ln a} + Ca>0a \gt 0a1a \neq 1
exdx=ex+C\int e^x \mathrm{d}x = e^x + Ctanxdx=lnabs(cosx)+C\int \tan x \mathrm{d}x = -\ln \mathrm{abs}(\cos x) + C
cotxdx=lnabs(sinx)+C\int \cot x \mathrm{d}x = \ln \mathrm{abs}(\sin x) + Csecxdx=lnabs(secx+tanx)+C\int \sec x \mathrm{d}x = \ln \mathrm{abs}(\sec x + \tan x) + C
cscxdx=lnabs(cscxcotx)+C\int \csc x \mathrm{d}x = \ln \mathrm{abs}(\csc x - \cot x) + Cdxa2+x2=1aarctanxa+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{a^2 + x^2} = \dfrac{1}{a} \arctan \dfrac{x}{a} + C
dx1+x2=arctanx+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{1 + x^2} = \arctan x + Cdxx2a2=12alnabs(xax+a)+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{x^2 - a^2} = \dfrac{1}{2a} \ln \mathrm{abs}(\dfrac{x - a}{x + a}) + Ca>0a \gt 0
dxa2x2=arcsinxa+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{\sqrt{a^2 - x^2}} = \arcsin \dfrac{x}{a} + Ca>0a \gt 0dx1x2=arcsinx+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{\sqrt{1 - x^2}} = \arcsin x + C
dxx2+a2=ln(x+x2+a2)+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \ln (x + \sqrt{x^2 + a^2}) + Ca>0a \gt 0dxx2a2=lnabs(x+x2a2)+C\int \dfrac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2 - a^2}} = \ln \mathrm{abs}(x + \sqrt{x^2 - a^2}) + Ca>0a \gt 0
  • 例6:求下列不定积分:

    1. x+2x4dx\int \dfrac{\sqrt{x} + 2}{\sqrt[4]{x}} \mathrm{d}x

      Answer
    2. 2x4+x2+3x2+1dx\int \dfrac{2x^4 + x^2 + 3}{x^2 + 1} \mathrm{d}x

      Answer

      使用多项式除法:

      则可解得:

    3. cos2xcosxsinxdx\int \dfrac{\cos 2x}{\cos x - \sin x} \mathrm{d}x

      Answer
    4. e2x1ex1dx\int \dfrac{e^{2x} - 1}{e^x - 1} \mathrm{d}x

      Answer