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积分

cottdt=costsintdt=\int \cot t\mathrm{d}t =\int \dfrac{\cos t}{\sin t}\mathrm{d}t=


不定积分是求导的逆运算,求 ff 的不定积分就是求哪个函数求导得到 ff

不定积分才有 CC, 且同一个不定积分的 CC 是相同的。

定积分 理解为 两数之差 时 使用 原函数作差。

定积分 理解为 面积 时 使用 被积分函数的图像 求面积。


分部积分法

uvdx=uvuvdx\int uv'\mathrm dx=uv-\int u'v\mathrm dx

udv=uvvdu\int u\mathrm{d}v=uv-\int v\mathrm{d}u


有理分式函数的不定积分

第一类换元法:g(F(X))f(x)dx=g(F(x))dF(x)\int g(F(X))f(x)\mathrm{d}x=\int g(F(x))\mathrm{d}F(x)

例: xsin(x2)dx1=12sin(x2)2xdx=12sin(x2)d(x2)=12cos(x2)dx+C\begin{aligned} &&&\int x \sin(x^2)\mathrm d x 1\\ &=&&\dfrac{1}{2}\int \sin(x^2)2x\mathrm{d}x\\ &=&&\dfrac{1}{2}\int \sin(x^2)\mathrm{d}(x^2)\\ &=&&-\dfrac{1}{2}\int \cos(x^2)\mathrm{d}x + C \end{aligned}

第一类换元法也叫凑微分法,是说被积函数中的一部分可以与 dx\mathrm dx 相乘变成 d别的东西\mathrm d\text{别的东西} ,变完之后更好积, 例题里的 2x2x 恰好能与 dxdx 凑成 d(x2)\mathrm d(x^2)

第二类换元法:f(x)dx=f(x(t))dxdtdt\int f(x)\mathrm{d}x=\int f(x(t))\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\mathrm{d}t

例:exdx\int e^{\sqrt x} \mathrm{d}x

t=xt=\sqrt x ,则 x=t2dx=2tdtx=t^2 \to \mathrm dx=2t\mathrm dt , 回代得 原积分=et2tdt\text{原积分}=\int e^t2t\mathrm dt ,然后使用分部积分法。


反常积分

瑕积分无穷限积分

瑕积分:积分区域包含瑕点的积分。

瑕点:函数值为 \infin 的点。

无穷限积分:积分上下限为 \infin 的积分。


语法糖

常数+=limh+常数h\int_{\text{常数}}^{+\infty}=\lim_{h \to +\infty}\int_{\text{常数}}^h


原函数的定义

如果 F(x)F'(x) 的导数是 f(x)f(x) ,则称 F(x)F(x)f(x)f(x)一个原函数。

显然,如果 F(x)F(x)f(x)f(x) 的一个原函数(即 FF 导出 ff ),则 F(x)+CF(x)+C 也会是 f(x)f(x) 的一个原函数( CC 是常数)。

可以证明,f(x)的所有原函数只会是 F(x)+CF(x)+C 这一种形式

比如说 f(x)=2xf(x)=2x 的一个原函数是 F(x)=x2F(x)=x^2 ,则 f(x)f(x) 的原函数只有 x2+cx^2+c 这一系列,其他函数都不会是 ff 的原函数。

这个定理我们不证


不定积分的定义

2x2x 的全体原函数是 {x2+CCR}\{x^2+C \mid C \in \mathbb{R}\} ,这是一个集合。

我们把这个集合简记为 x2+Cx^2+C ,称它为 2x2x 的不定积分。

所以其实不定积分是 Callable[函数,set[函数]]

积分常数 CC 的性质

+C+C 是个语法糖

因为 全体常数+全体常数=全体常数\text{全体常数}+\text{全体常数}=\text{全体常数}, 所以 C+C=CC+C=C2C=C2C\text{也}=C


不可积 函数

考虑 f(x)f(x) 是狄利克雷函数: D(x)={1,xQ,0,xR\Q,D(x)=\left\{\begin{aligned} &1,\qquad &&x\in \mathbb Q,\\ &0,\qquad &&x\in \mathbb R \backslash \mathbb Q, \end{aligned}\right.

这个 f(x)f(x) 太怪了,没有函数能导出它来。

就是 f(x)f(x) 没有原函数,称 f(x)f(x) 不可积。


积不出 函数

现在考虑 f(x)=ex2f(x)=e^{x^2}

不定积分,就是有一个函数 F(x)F(x) 求导为 f(x)f(x)F(x)F(x) 的图像可以画出来。

但是这个 F(x)F(x) 既不是 ex2e^{x^2},也不是 e(sinx)2e^{(\sin x)^2},也不是 exxe^{x^x} ……, 他既不是我们已有的函数(幂函数、指数函数、对数函数、三角函数等)的和, 也不是他们的有限次复合。

他就是一个普通的没名字的函数,我们无法通过别的语言描述他, 就是我们无法通过 2,ln,sin,arctan^2, \ln, \sin, \arctan 等等这些符号描述它。

只能描述为 ex2e^{x^2} 的不定积分。

比如 ex2e^{x^2} 的不定积分是 (一个不能通过现有的符号表示的函数)+C\text{(一个不能通过现有的符号表示的函数)} + C

这种不定积分 存在,但不能被 ‘幂函数 指数函数 对数函数 三角/反三角函数 及其四则运算或有限次复合’ 表示

我们说 ex2e^{x^2} 的不定积分 存在但非初等, 称 ex2e^{x^2} 积不出

以下都是积不出的函数,不要尝试积分,不需要记忆。


010 \sim 1 区间上定积分的定义

我现在要求阴影部分面积。

我取四个采样点:04\dfrac{0}{4}14\dfrac{1}{4}24\dfrac{2}{4}34\dfrac{3}{4}

上图中阴影部分的面积是: f(04)×14+f(14)×14+f(24)×14+f(34)×14f(\dfrac{0}{4}) \times \dfrac{1}{4} + f(\dfrac{1}{4}) \times \dfrac{1}{4} + f(\dfrac{2}{4}) \times \dfrac{1}{4} + f(\dfrac{3}{4}) \times \dfrac{1}{4}f(x)=x2f(x)=x^2

通过不断增加采样点数量,阴影部分面积会逐渐逼近所要求的大不规则图形的面积。

比如上图中的面积是 18×(f(08)+f(18)+f(28)++f(78))\dfrac{1}{8}\times\left(f(\dfrac{0}{8})+f(\dfrac{1}{8})+f(\dfrac{2}{8})+\cdots+f(\dfrac{7}{8})\right)

我取 nn 个采样点,面积就是 1n×(f(0n)+f(1n)+f(2n)++f(n1n))\dfrac{1}{n}\times\left(f(\dfrac{0}{n})+f(\dfrac{1}{n})+f(\dfrac{2}{n})+\cdots+f(\dfrac{n-1}{n})\right)

nn \to \infty,这个极限式的结果就是所求不规则图形的面积。

12+22++n2=n(n+1)(2n+1)61^2+2^2+\cdots+n^2=\dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}

这是取了每一个矩形的左端点, 其实更常见的取法是取每一个矩形的右端点。

对应到这里是 14×(f(14)+f(24)+f(34)+f(44))\dfrac{1}{4}\times\left(f(\dfrac{1}{4}) + f(\dfrac{2}{4}) + f(\dfrac{3}{4}) + f(\dfrac{4}{4})\right)

nn 个采样点是 1n×(f(1n)+f(2n)++f(nn))\dfrac{1}{n}\times\left(f(\dfrac{1}{n})+f(\dfrac{2}{n})+\cdots+f(\dfrac{n}{n})\right)

算出来的答案是一样的,但是更直接一点。

nn 个采样点是 1n×(f(1n)+f(2n)++f(nn))\dfrac{1}{n}\times\left(f(\dfrac{1}{n})+f(\dfrac{2}{n})+\cdots+f(\dfrac{n}{n})\right)

把这个nn \to \infty,就是函数 ff010\sim1 区间的定积分 。

省略号太不优雅了,上大学要习惯使用求和符号 \sum

f(x)f(x)010\sim1 的定积分 == 要求的不规则图形的面积 == 刚才的极限式。

你可以回顾一下刚才的步骤,经历了 采样 \to 求矩形的面积之和 \to 求 n 到无穷极限 的步骤,分别对应着 f(in)f(\dfrac{i}{n})1n\dfrac{1}{n}\sum,和 lim\lim