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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' | ||
| - | **常见模式**: | ||
| - | * $x dx = \frac{1}{2} d(x^2)$ | ||
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| - | * $e^x dx = d(e^x)$ | ||
| - | * $\cos x dx = d(\sin x)$ | ||
| - | * | ||
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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/ | ||
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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: | ||
| - | $$ \Phi' | ||
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| - | **证明思路**: | ||
| - | 利用导数定义和积分中值定理: | ||
| - | $$ \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) $$ | ||
| - | **意义**:将复杂的黎曼和极限运算转化为寻找原函数的代数运算。 | ||
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| - | ===== 数值积分 (Numerical Integration) ===== | ||
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| - | 当原函数无法用初等函数表示(如 $\int e^{-x^2} dx$)或只有离散数据时使用。 | ||
| - | 设步长 $h = \frac{b-a}{n}$,节点 $x_i = a + i h$。 | ||
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| - | ^ 方法 ^ 公式 ^ 几何意义 ^ 精度 ^ | ||
| - | | **梯形法** | $I \approx \frac{h}{2} [f(a) + 2\sum f(x_i) + f(b)]$ | 用直线逼近 | $O(h^2)$ | | ||
| - | | **辛普森法** | $I \approx \frac{h}{3} [f(a) + 4\sum_{odd} + 2\sum_{even} + f(b)]$ | 用抛物线逼近 | $O(h^4)$ | | ||
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| - | **辛普森公式系数记忆**: | ||
| - | $$ 1, 4, 2, 4, 2, \dots, 4, 1 $$ | ||
| - | (首尾为1,中间奇数位为4,偶数位为2)。 | ||