基本积分公式
现阶段常用公式如下:
(1) ∫xαdx=α+1xα+1+C(α=−1, 为常数 )
(2) ∫x1 dx=ln∣x∣+C
(3) ∫ax dx=lna1ax+C(a>0,a=1)
(4) ∫ex dx=ex+C
(5) ∫sinx dx=−cosx+C
(6) ∫cosx dx=sinx+C
(7) ∫sec2x dx=∫cos2x1 dx=tanx+C
(8) ∫csc2x dx=∫sin2x1 dx=−cotx+C
(9) ∫1−x2dx=arcsinx+C
(10) ∫1+x2dx=arctanx+C
计算下列不定积分
(1)∫x1 dx
(2) ∫x2⋅3x dx
(3) ∫x2+13x4+2x2 dx.
▶答案
(1) 2x+C
(2) 103x310+C
(3) x3−x+arctanx+C
▶详解
【解】 (1)
原式=∫x−21 dx=2x+C.(2)
原式=∫x37 dx=103x310+C.(3)对于分子次数不小于分母次数的有理函数积分, 关键在于使分子多项式次数小于分母 , 最终利用基本积分公式 ∫1+x21 dx=arctanx+C 求解.
原式=∫x2+13x2(x2+1)−(x2+1)+1 dx=∫(3x2−1+x2+11) dx=x3−x+arctanx+C.
计算不定积分
(1)∫x2xdx.
(2)∫(1+x23−1−x22)dx.
(3) ∫x(x−2)2 dx
▶提示
(1)利用指数运算法则将根式转化为幂函数进行计算;
(2)拆分后应用基本积分公式;
(3)完全平方展开后拆分,将分子次数降低.
▶答案
(1) −32x−23+C
(2) 3arctanx−2arcsinx+C
(3) 21x2−4x+4ln∣x∣+C
▶详解
【解】 (1) 将被积函数化为幂函数形式, 直接利用幂函数积分公式可得
∫x2xdx=∫x−25 dx=−32x−23+C(2) 利用积分的线性性质及基本积分公式, 直接求解可得
∫(1+x23−1−x22)dx=3∫1+x21 dx−2∫1−x21 dx=3arctanx−2arcsinx+C.(3)
将被积函数的分子展开, 并逐项除以分母, 得
∫x(x−2)2 dx=∫xx2−4x+4 dx=∫(x−4+x4) dx=21x2−4x+4ln∣x∣+C.
计算不定积分 ∫cot2x dx.
▶提示
利用恒等式 cot2x=csc2x−1 将被积函数化简, 求积分时需特别注意 csc2x 的原函数带负号.
▶答案
−cotx−x+C
▶详解
【解】
∫cot2x dx=∫(csc2x−1) dx=−cotx−x+C.
计算不定积分 ∫tan2x dx.
▶提示
利用恒等式 tan2x=sec2x−1 变形.
▶答案
tanx−x+C
▶详解
【解】
∫tan2x dx=∫(sec2x−1) dx=tanx−x+C.
计算不定积分 ∫sin2x dx.
▶提示
sinx偶次幂的积分, 使用半角公式(降幂公式)sin2x=21−cos2x化简计算.
▶答案
21x−41sin2x+C
▶详解
【解】
∫sin2x dx=∫21−cos2x dx=21x−41sin2x+C.
计算不定积分 ∫cos2x dx.
▶提示
cosx偶次幂的积分, 适用半角公式(降幂公式) cos2x=21+cos2x.
▶答案
21x+41sin2x+C
▶详解
【解】
∫cos2x dx=∫21+cos2x dx=21x+41sin2x+C.
第一类换元积分法 (凑微分法)
凑微分的本质是求原函数.
下面是凑微分求不定积分的方法:
∫f(φ(x))φ′(x)dx=∫f(φ(x))dφ(x)φ(x)=u∫f(u)du=F(u)+C=F(φ(x))+C
填入适当的函数使等式成立:
(1) cosx dx=d ______ ;
(2) x1 dx=d ______ ;
(3) e2x dx=d ______ .
▶答案
(1) sinx
(2) ln∣x∣
(3) 21e2x
▶详解
【解】 (1) 因为 (sinx)′=cosx, 故
cosx dx=d(sinx).(2) 因为 (ln∣x∣)′=x1, 故
x1 dx=d(ln∣x∣).(如果默认 x>0, 填 lnx 亦可, 但加绝对值更为严谨).
(3) 因为 (21e2x)′=e2x, 故
e2x dx=d(21e2x).
求下列各不定积分:
(1) ∫e−4x+5 dx
(2) ∫32−3xdx
(3) ∫xsin(x2) dx
(4) ∫2(1+x2)arctanx dx
(5) ∫x3ln2x dx
▶答案
(1) −41e−4x+5+C
(2) −213(2−3x)2+C
(3) −21cos(x2)+C
(4) 41arctan2x+C
(5) ln3x+C
▶详解
【解】 (1) 凑一次函数的微分:
∫e−4x+5 dx=−41∫e−4x+5 d(−4x+5)=−41e−4x+5+C.(2) 将根式写成幂的形式, 并凑一次函数的微分:
∫32−3xdx=∫(2−3x)−31 dx=−31∫(2−3x)−31 d(2−3x)=−31⋅23(2−3x)32+C=−213(2−3x)2+C.(3) 观察到 x dx 是 x2 导数的一部分, 故凑 d(x2):
∫xsin(x2) dx=21∫sin(x2) d(x2)=−21cos(x2)+C.(4) 观察到 1+x21 dx 正是 arctanx 的微分:
∫2(1+x2)arctanx dx=21∫arctanx d(arctanx)=21⋅21(arctanx)2+C=41arctan2x+C.(5) 观察到 x1 dx 是 lnx 的微分:
∫x3ln2x dx=3∫ln2x d(lnx)=3⋅31ln3x+C=ln3x+C.必须熟练掌握以下对应关系: 看到 x dx 想到 d(x2), 看到 1+x2dx 想到 d(arctanx), 看到 xdx 想到 d(lnx).
求下列各不定积分:
(1) ∫1−3xdx;
(2) ∫1−x43x3 dx;
(3) ∫cos3xsinx dx;
(4) ∫1−x2arcsin2x dx.
▶答案
(1) −31ln∣1−3x∣+C
(2) −43ln∣1−x4∣+C
(3) 2cos2x1+C
(4) 31arcsin3x+C
▶详解
【解】 (1) 观察分母为一次函数, 直接凑微分:
原式=−31∫1−3xd(1−3x)=−31ln∣1−3x∣+C.(2) 分子 x3 是分母中 x4 导数的一部分, 将其凑入微分号:
原式=−43∫1−x4d(1−x4)=−43ln∣1−x4∣+C.(3) 提取分子中的 sinx 凑成 cosx 的微分:
原式=−∫cos3xd(cosx)=−∫(cosx)−3d(cosx)=2cos2x1+C.(4) 被积函数中含有 arcsinx 及其导数结构 1−x21, 直接整体凑微分:
原式=∫arcsin2x d(arcsinx)=31arcsin3x+C.处理含有复合函数的积分时, 优先观察被积函数中是否同时存在某函数及其导数结构.
证明积分公式 ∫tanx dx=−ln∣cosx∣+C.
▶提示
证明三角函数基本积分公式的关键在于将其转化为正弦与余弦的商, 然后利用凑微分法(第一类换元法)将分子凑成分母的微分.
▶详解
【证明】 根据正切函数的定义, 将被积函数化为正弦与余弦的商:
∫tanx dx=∫cosxsinx dx由于 (cosx)′=−sinx, 即 sinx dx=−d(cosx), 将其代入原积分可得
∫cosxsinx dx=−∫cosx1d(cosx)=−ln∣cosx∣+C.故积分公式 ∫tanx dx=−ln∣cosx∣+C 得证.
证明积分公式∫cotx dx=ln∣sinx∣+C.
▶提示
将其转化为正弦与余弦的商, 然后利用凑微分法(第一类换元法)将分子凑成分母的微分.
▶详解
【证明】 利用三角函数定义, 将被积函数改写:
∫cotx dx=∫sinxcosx dx=∫sinx1d(sinx)得:
∫cotx dx=ln∣sinx∣+C
第二类换元积分法
直接对被积函数中的变量进行换元的方法叫做第二类换元积分法. 去根号是其常见的用途,
下面以根式整体代换为例, 简单介绍第二类换元法
.
若被积函数中含有类似nax+b, 且凑微分无效时, 可令
nax+b=t进行换元.
计算不定积分 ∫xsinx dx.
▶答案
−2cosx+C
▶详解
【解】 令 t=x, 则 x=t2, dx=2t dt.
原式=∫tsint⋅2t dt=2∫sint dt=−2cost+C=−2cosx+C.也可直接凑微分 , 由于 (x)′=2x1, 故 x1 dx=2d(x)
得
∫xsinx dx=2∫sinx d(x)=−2cosx+C.
计算不定积分∫x2+x dx.
▶答案
52(2+x)25−34(2+x)23+C
▶详解
【解】 令 t=2+x, 则有 x=t2−2, 且 dx=2t dt.
代入原积分进行换元, 得
∫x2+x dx=∫(t2−2)⋅t⋅2t dt=2∫(t2−2)t2 dt=2∫(t4−2t2) dt=52t5−34t3+C.最后将 t=2+x 代回, 得到
∫x2+x dx=52(2+x)25−34(2+x)23+C.
求不定积分 ∫x1−x dx.
▶提示
观察到被积函数中含有根式结构, 可直接利用根式整体代换消去无理式.
▶答案
52(1−x)25−32(1−x)23+C
▶详解
【解】 令 t=1−x, 则 x=1−t2, dx=−2t dt.
∫x1−x dx=∫(1−t2)⋅t⋅(−2t) dt=∫(2t4−2t2) dt=52t5−32t3+C=52(1−x)25−32(1−x)23+C.本题主要考察根式代换法. 对于含有 ax+b 的积分, 常用的策略是令 t=ax+b 以消去根号.
分部积分法
若 u=u(x),v=v(x) 均有连续的导数, 则
∫u(x)v′(x)dx=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x)dx.
即
∫u(x)dv(x)=u(x)v(x)−∫v(x)du(x).
分部积分常常适用于求解两种不同函数相乘时的积分, 要记住口诀: “反对幂三指”,这几种函数相乘时, 谁的次序靠后, 就对谁凑微分.
求下列不定积分:
(1) ∫xex dx;
(2) ∫xsinx dx;
(3) ∫xlnx dx;
(4) ∫arctanx dx;
(5) ∫exsinx dx.
▶答案
(1) xex−ex+C
(2) −xcosx+sinx+C
(3) 21x2lnx−41x2+C
(4) xarctanx−21ln(1+x2)+C
(5) 2ex(sinx−cosx)+C
▶详解
【解】 (1) 将指数函数凑入微分号, 连续计算得
∫xex dx=∫x d(ex)=xex−∫ex dx=xex−ex+C.(2) 将三角函数凑入微分号:
∫xsinx dx=−∫x d(cosx)=−(xcosx−∫cosx dx)=−xcosx+sinx+C.(3) 遇到对数函数, 将幂函数凑入微分号, 以便对数函数能够求导化简:
∫xlnx dx=21∫lnx d(x2)=21x2lnx−21∫x2 d(lnx)=21x2lnx−21∫x dx=21x2lnx−41x2+C.(4) 被积函数只有反三角函数, 视作乘以常数 1, 将 1 凑入微分号:
∫arctanx dx=∫arctanx d(x)=xarctanx−∫x d(arctanx)=xarctanx−∫1+x2x dx=xarctanx−21ln(1+x2)+C.(5) 指数函数与三角函数相乘,凑哪个函数均可,但需连续两次分部积分, 且这两次凑同类的函数 :
∫exsinx dx=∫sinx d(ex)=exsinx−∫excosx dx=exsinx−∫cosx d(ex)=exsinx−(excosx−∫ex(−sinx) dx)=exsinx−excosx−∫exsinx dx.将等式右侧的同类积分项移项至左侧并合并, 除以 2 后加上任意常数, 得
∫exsinx dx=2ex(sinx−cosx)+C.
求下列不定积分:
(1) ∫x2lnx dx;
(2) ∫x2sinx dx;
▶答案
(1) 31x3lnx−91x3+C
(2) −x2cosx+2xsinx+2cosx+C
▶详解
【解】 (1) “幂”与“对”相乘, 凑幂函数x2 dx=31 dx3.
∫x2lnx dx=31∫lnx d(x3)=31x3lnx−31∫x3 d(lnx)=31x3lnx−31∫x2 dx=31x3lnx−91x3+C.对于对数函数与多项式相乘的不定积分, 优先将多项式凑微分, 从而利用分部积分法将对数函数求导化简消除.
(2) “幂”与“三”相乘, 凑三角函数的微分, 需使用两次分部积分法
∫x2sinx dx=−∫x2 d(cosx)=−x2cosx+∫cosx d(x2)=−x2cosx+2∫xcosx dx=−x2cosx+2∫x d(sinx)=−x2cosx+2xsinx−2∫sinx dx=−x2cosx+2xsinx+2cosx+C.