数学分析:积分

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数学分析:积分 [2025/12/28 23:22] – ↷ 页面微积分:积分被移动至数学分析:积分 张叶安数学分析:积分 [2026/02/18 19:42] (当前版本) – 移除 张叶安
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-===== 不定积分 (Indefinite Integrals) ===== 
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-不定积分是求导的逆运算,结果是一个函数族:$\int f(x) dx = F(x) + C$。 
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-==== 1. 基本积分公式表 ==== 
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-^ 分类 ^ 被积函数 $f(x)$ ^ 原函数 $\int f(x) dx$ ^ 备注 ^ 
-| **幂函数** | $x^\mu$ ($\mu \neq -1$) | $\frac{x^{\mu+1}}{\mu+1} + C$ | | 
-| | $\frac{1}{x}$ | $\ln|x| + C$ | **注意绝对值** | 
-| **指数** | $e^x$ | $e^x + C$ | | 
-| | $a^x$ | $\frac{a^x}{\ln a} + C$ | | 
-| **三角** | $\sin x$ | $-\cos x + C$ | | 
-| | $\cos x$ | $\sin x + C$ | | 
-| | $\sec^2 x$ | $\tan x + C$ | | 
-| | $\csc^2 x$ | $-\cot x + C$ | | 
-| | $\sec x \tan x$ | $\sec x + C$ | | 
-| | $\csc x \cot x$ | $-\csc x + C$ | | 
-| **扩展三角** | $\tan x$ | $-\ln|\cos x| + C$ | | 
-| | $\cot x$ | $\ln|\sin x| + C$ | | 
-| | $\sec x$ | $\ln|\sec x + \tan x| + C$ | | 
-| | $\csc x$ | $\ln|\csc x - \cot x| + C$ | | 
-| **反三角** | $\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$ | $\arcsin x + C$ | | 
-| | $\frac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}$ | $\arcsin \frac{x}{a} + C$ | | 
-| | $\frac{1}{1+x^2}$ | $\arctan x + C$ | | 
-| | $\frac{1}{a^2+x^2}$ | $\frac{1}{a}\arctan \frac{x}{a} + C$ | **系数 1/a** | 
-| | $\frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}}$ | $\text{arcsec } x + C$ | | 
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-==== 2. 积分求解技巧 ==== 
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-=== 2.1 第一类换元法 (凑微分) === 
-核心:利用 $g'(x)dx = d(g(x))$。 
-**常见模式**: 
-  *   $x dx = \frac{1}{2} d(x^2)$ 
-  *   $\frac{1}{x} dx = d(\ln x)$ 
-  *   $e^x dx = d(e^x)$ 
-  *   $\cos x dx = d(\sin x)$ 
-  *   $\frac{1}{1+x^2} dx = d(\arctan x)$ 
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-=== 2.2 第二类换元法 (三角代换) === 
-用于消除根号 $\sqrt{\cdot}$。 
-^ 形式 ^ 令 $x =$ ^ 恒等式 ^ 
-| $\sqrt{a^2 - x^2}$ | $a \sin t$ | $1-\sin^2 t = \cos^2 t$ | 
-| $\sqrt{a^2 + x^2}$ | $a \tan t$ | $1+\tan^2 t = \sec^2 t$ | 
-| $\sqrt{x^2 - a^2}$ | $a \sec t$ | $\sec^2 t - 1 = \tan^2 t$ | 
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-=== 2.3 分部积分法 (Integration by Parts) === 
-公式:$$ \int u dv = uv - \int v du $$ 
-**选 $u$ 优先级 (LIATE)**:对数(L) > 反三角(I) > 幂函数(A) > 三角(T) > 指数(E)。 
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-=== 2.4 有理函数积分 === 
-对于 $\int \frac{P(x)}{Q(x)} dx$: 
-1.  若分子次数 $\ge$ 分母,先做**多项式除法**。 
-2.  将分母**因式分解**。 
-3.  **部分分式分解**(如 $\frac{1}{x^2-1} = \frac{1/2}{x-1} - \frac{1/2}{x+1}$)。 
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-===== 定积分与微积分基本定理 ===== 
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-定积分 $\int_a^b f(x) dx$ 是一个**数值**,几何上代表曲边梯形的代数面积。 
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-==== 1. 黎曼积分定义 ==== 
-$$ \int_a^b f(x) dx = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^n f(\xi_i) \Delta x_i $$ 
-其中 $\lambda$ 是最大区间长度。 
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-==== 2. 微积分基本定理 (The Fundamental Theorem of Calculus) ==== 
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-这是连接微分与积分的桥梁。 
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-=== 第一基本定理 (变上限积分求导) === 
-若 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,定义 $\Phi(x) = \int_a^x f(t) dt$,则: 
-$$ \Phi'(x) = \frac{d}{dx} \int_a^x f(t) dt = f(x) $$ 
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-**证明思路**: 
-利用导数定义和积分中值定理: 
-$$ \frac{\Phi(x+\Delta x) - \Phi(x)}{\Delta x} = \frac{1}{\Delta x}\int_x^{x+\Delta x} f(t) dt = \frac{f(\xi)\Delta x}{\Delta x} = f(\xi) $$ 
-当 $\Delta x \to 0$ 时,$\xi \to x$,故极限为 $f(x)$。 
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-=== 第二基本定理 (牛顿-莱布尼茨公式) === 
-若 $F(x)$ 是 $f(x)$ 的任意原函数,则: 
-$$ \int_a^b f(x) dx = F(b) - F(a) $$ 
-**意义**:将复杂的黎曼和极限运算转化为寻找原函数的代数运算。 
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-<编辑中标记> 
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-===== 数值积分 (Numerical Integration) ===== 
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-当原函数无法用初等函数表示(如 $\int e^{-x^2} dx$)或只有离散数据时使用。 
-设步长 $h = \frac{b-a}{n}$,节点 $x_i = a + i h$。 
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-^ 方法 ^ 公式 ^ 几何意义 ^ 精度 ^ 
-| **梯形法** | $I \approx \frac{h}{2} [f(a) + 2\sum f(x_i) + f(b)]$ | 用直线逼近 | $O(h^2)$ | 
-| **辛普森法** | $I \approx \frac{h}{3} [f(a) + 4\sum_{odd} + 2\sum_{even} + f(b)]$ | 用抛物线逼近 | $O(h^4)$ | 
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-**辛普森公式系数记忆**: 
-$$ 1, 4, 2, 4, 2, \dots, 4, 1 $$ 
-(首尾为1,中间奇数位为4,偶数位为2)。 

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