常见不定积分的求解方法

1常见不定积分的求解方法的讨论马征指导老师：封新学摘要介绍不定积分的性质，分析常见不定积分的各种求解方法：直接积分法、第一类换元法（凑微法）、第二类换元法、分部积分法，并结合实际例题加以讨论，以便于在解不定积分时能快速选择最佳的解题方法。关键词不定积分直接积分法第一类换元法（凑微法）第二类换元法分部积分法。ThediscussionofcommonindefiniteintegralmethodofcalculatingMaZhengAbstracttherearefoursolutionsofindefiniteintegrationinthisdiscourse:directintegration;exchangeableintegration;parcelintegration.Itdiscussedthefeasibilitywhichthesewaysinthesolutionofintegration,anditishelpfultosolveindefiniteintegrationquickly.KeywordsIndefiniteintegration,exchangeableintegration,parcelintegration.20引言不定积分是《高等数学》中的一个重要内容，它是定积分、广义积分、狭积分、重积分、曲线积分以及各种有关积分的函数的基础，要解决以上问题，不定积分的问题必须解决，而不定积分的基础就是常见不定积分的解法。不定积分的解法不像微分运算时有一定的法则，它要根据不同题型的特点采用不同的解法，积分运算比起微分运算来，不仅技巧性更强，而且也已证明，有许多初等函数是“积不出来”的，就是说这些函数的原函数不能用初等函数来表示，例如xkdx22sin1（其中10k）；dxxxsin；dxex2；dxxln1等。这一方面体现了积分运算的困难，另一方面也推动了微积分本身的发展。同时，同一道题也可能有多种解法，多种结果，所以，掌握不定积分的解法比较困难，下面将不定积分的各种求解方法分类归纳，以便于更好的掌握、运用。1不定积分的概念定义：在某区间I上的函数)(xf，若存在原函数，则称)(xf为可积函数，并将)(xf的全体原函数记为dxxf)(,称它是函数)(xf在区间I内的不定积分，其中为积分符号，)(xf称为被积函数，x称为积分变量。若)(xF为)(xf的原函数，则：dxxf)(=)(xF+C(C为积分常数)。在这里要特别注意，不定积分是某一函数的全体原函数，而不是一个3单一的函数，它的几何意义是一簇平行曲线，也就是说：dxd(dxxf)()和dxxf)(是不相等的，前者的结果是一个函数，而后者是无穷多个函数，所以，在书写计算结果时一定不能忘记积分常数。性质：1.微分运算与积分运算时互逆的。注：积分和微分连在一起运算时：d——————完全抵消。d——————抵消后差一常数。2.两函数代数和的不定积分，等于它们各自积分的代数和，即：dxxgxf)]()([=dxxf)(±dxxg)(。3.在求不定积分时，非零数可提到积分符号外面，即：dxxkf)(=kdxxf)((k≠0)。在这里，给出两个重要定理：(1)导数为0的函数是常函数。(2)若两函数的导数处处相等，则两函数相差一个常数。以便于更好的解决一些简单的不定积分问题。上面将不定积分的概念以及性质做了简单的介绍，下面，我们开始讨论不定积分的各种求解方法。2直接积分法(公式法)从解题方面来看，利用不定积分的定义来计算不定积分是非常4不方便的，利用不定积分的运算性质和基本积分公式从而直接求出不定积分，这种方法就是直接积分法(另称公式法)。下面先给出基本求导公式：(1)kkx)'((2)xx1)'((3)xx1)'(ln(4)xx211)'(arctan(5)xx211)'(arcsin(6)axxaln1)'(log(7)eexx)'((8)xxcos)'(sin(9)xxsin)'(cos(10)xxsec)'(tan2(11)xxcsc)'(cot2。根据以上基本求导公式，我们不难导出以下基本积分表：(1))(是常数kCkxkdx(2))1(11Cxdxx(3)Cxxdxln(4)Cxdxxarctan112(5)Cxdxxarcsin112(6)Caadxaxxln(7)Cedxexx(8)Cxxdxsincos(9)Cxxdxcossin(10)Cxxdxtansec2(11)Cxxdxcotcsc2。5下面举例子加以说明：例2.1：求dxxx)143(2解原式=dxxdxdxx432=dxxdxdxx432=)()2(4)3(332213CxCxCx=Cxxx232注意：这里三个积分常数都是任意的，故可写成一个积分常数。所以对一个不定积分，只要在最后所得的式子中写上一个积分常数即可，以后遇到这种情况不再说明。例2.2：求dxxx122解原式=dxxx11)1(22=12xdxdx=Cxxarctan注：此处有一个技巧的方法，这里先称作“加1减1”法，相当于是将多项式拆分成多个单项式，然后利用基本积分公式计算，下面的例题中还会遇到类似的题型，遇到时具体讲解。直接积分法只能计算较简单的不定积分，或是稍做变形就可用基本积分表解决的不定积分，对于稍微复杂一点的不定积分便无从下手，所以，下面我们将一一讨论其他方法。3第一类换元法(凑微法)利用基本积分公式和积分性质可求得一些函数的原函数，但只是这样远不能解决问题，如6xdxxcossin2就无法求出，必须将它进行变形，然后就可以利用基本积分公式求出其积分。如果不定积分dxxf)(用直接积分法不易求得，但被积函数可分解为)()]([)(xxgxf，作变量代换)(xu，并注意到)()(xddxx，则可将关于变量x的积分转化为关于u的积分，于是有.)()()]([)(duugdxxxgdxxf如果duug)(可以求出，不定积分dxxf)(的计算问题就解决了，这就是第一类换元法(凑微分法)。注：上述公式中，第一个等号表示换元ux)(，最后一个等号表示回代)(xu.下面具体举例题加以讨论例3.1：求dxx)12(10.解原式=dxxx)12()12(2110=)12()12(2110xdxux12Cduuu112121111012xuCx)12(22111对变量代换比较熟练后，可省去书写中间变量的换元和回代过程。7例3.2：求)(25812xdxx.解原式)(9)4(12xdx)(1)34(13122xdx)34(1)34x(1312xdCx34arctan31例3.3：求xdx21解)1111(21)1)(1(1112xxxxx]1)1(1)1([21112xxdxxdxCxx]1ln1[ln21Cxx11ln21在这里做一个小结，当遇到形如：cbxxadx2的不定积分，可分为以下3中情况：cbxxa2的：①大于0时。可将原式化为))((21xxxx，其中，x1、x2为02cbxxa的两个解，则原不定积分为：8))((21xxxxdx])()()()([)(1221112xxxxdxxxxdxxCxxxxxx2112ln)(1②等于0时。可利用完全平方公式，然后可化成)()(2kxdkx。然后根据基本微分公式(2)便可求解。③小于0时。形如例4，可先给分母进行配方。然后可根据基本积分公式(4)便可求解。例3.4：求xdxsec解原式xxdxxdxxdxsin1sincoscoscos22)sin1)(sin1(sinxxxd])sin1(sin)sin1(sin[21xxdxxdCxxsin1sin1ln21该题也可利用三角函数之间的关系求解：原式dxxxxxxtansectansecsec2)tan(sectansec1xxdxxCxxtansecln.虽然两种解法的结果不同，但经验证均为xsec的原函数，这也9就体现了不定积分的解法以及结果的不唯一性。例3.5：求xdxcos2.解xdxcos2)2cos(2122cos1xdxdxdxx)2(2cos4121xxddxCxx42sin2例3.6：求xdxsec6.解xdxsec6xdxxsec)sec2(22)(tan)tan21(2xdx)(tan)tantan21(42xdxxCxxxtan51tan32tan53注：当被积函数是三角函数的乘积时，拆开奇次项去凑微分。当被积函数为三角函数的偶数次幂时，常用半角公式通过降低幂次的方法来计算；若为奇次，则拆一项去凑微，剩余的偶次用半角公式降幂后再计算。例3.7：求dxxx)1(1002.解原式dxxx)1(111002dxxxx])1(1)1(1[1009910dxxxx])1(1)1(21[10099)1(])1(1)1(2)1(1[1009898xdxxxCxxx)1(991)1(491)1(971999897注：这里也就是类似例2所说的方法，此处是“减1加1”法。4第二类换元法如果不定积分dxxf)(用直接积分法或第一类换元法不易求得，但作适当的变量替换)(tx后，所得到的关于新积分变量t的不定积分dtttf)()]([可以求得，则可解决dxxf)(的计算问题，这就是所谓的第二类换元(积分)法。设)(tx是单调、可导函数，且0)(t，又设)()]([ttf具有原函数)(tF，则dxxf)(dtttf)()]([CtF)(CxF)]([，其中)(x是)(tx的反函数。注：由此可见，第二类换元积分法的换元与回代过程与第一类换元积分法的正好相反。例4.1：求不定积分)0(22adxxa.11解令taxsin，则tdtadxcos，)2,2(t，所以dxxa22dttatacoscosdtta)2cos1(22Ctta)2sin21(22Cttta)cossin(22为将变量t还原回原来的积分变量x，由taxsin作直角三角形，可知axat22cos，代入上式，得dxxa22Cxaxaxa2222arcsin2注：对本题，若令taxcos，同样可计算。例4.2：求不定积分)0(122adxax.解令taxtan，则tdtadxsec2，)2,2(t，所以dxax221tdttdtatasecsecsec12Ctt1tanseclnCaxx22ln例4.3：求不定积分)0(122adxax.axa22xt12解令taxsec，则tdttadxtansec，)2,0(t，所以dxax221tdtdttattasectantansecCtt1tanseclnCaxx22ln注：以上几例所使用的均为三角代换，三角代换的目的是化掉根式，其一般规律如下：若果被积函数中含有xa22时，可令taxsin，)2,2(t；如果被积函数中含有ax22，可令taxtan，)2,2(t；如果被积函数中含有ax22；可令taxsec，)2,0(t.例4.4：求不定积分eedxx