我们知道,如果求得被积函数的原函数,就可以根据“牛顿-莱布尼兹公式”来计算定积分。这是定积分最常见的求法,但是谈不上有什么技巧性,就算找寻原函数的过程有一定难度,这也属于不定积分的一些技巧。但是,有时候被积函数的原函数很难寻找或者索性不是初等函数,我们仍然可以通过一些技巧在不借助原函数的情况下计算定积分。
如果函数积分区间是关于原点对称的(即形如[−l,l]),我们可以考虑利用奇函数和偶函数在对称区间上的性质,起到化简的作用。
对于奇函数f(x)有∫l−lf(x)dx=0;对于偶函数f(x)有∫l−lf(x)dx=2∫l0f(x)dx。可以看到,如果积分区间是关于原点对称的,我们可以把被积函数写成一个奇函数与一个偶函数的和,然后利用此性质起到化难为易的作用。即对于函数f(x),若令g(x)=f(x)−f(−x)2,h(x)=f(x)+f(−x)2,则f(x)=g(x)+h(x),g(x),h(x)分别是奇函数和偶函数。这样就把较复杂的积分变简单了,即∫l−lf(x)dx=2∫l0h(x)dx
例1:∫0−2(x+2)dxx2+2x+2
分析:虽然积分区间不是关于原点对称的,但是被积函数的分母是关于x=−1对称的,可以作换元t=x+1.
解:∫0−2(x+2)dxx2+2x+2=∫1 - 1(t+1)dtt2+1dt=∫1−1tt2+1dt+∫1−11t2+1dt=2∫101t2+1dt=arctant|1−1=π2
使用奇函数的积分性质问题就很简单了。
例2:∫2−2xln(1+ex)dx
分析:注意到积分区间关于原点对称,苦于被积函数既不是奇函数又不是偶函数,考虑把它写成一个奇函数和一个偶函数的和。
解:令f(x)=xln(1+ex),则f(x)−f(−x)2=12x[ln(1+ex)+ln(1+e−x)]=12xln(2+ex+e−x),f(x)+f(−x)2=12x[ln(1+ex)−ln(1+e−x)]=12x2.
因而∫2−2xln(1+ex)dx=∫2−212xln(2+ex+e−x)dx+∫2−212x2dx=∫20x2dx=83.
定积分中常见的换元法是通过换元求原函数。有的时候虽然原函数不易求得,但是也可以通过换元代换得到重要的递推式,一般为关于定积分的一个方程,这就起到了不求原函数的情况下求得定积分的作用。一般来说,对于积分区间[a,b]常做换元t=a+b−x.
例3:计算∫π0xsinx(1+cos2x)dx
分析:求此函数的原函数是比较繁琐的,但是积分区间很特殊,刚好使用t=π−x换元的话,关于sinx的部分是不会改变的。
解:令t=π−x,∫π0xsinx1+cos2xdx=∫π0(π−t)sin(π−t)1+cos2(π−t)d(π−t)=∫π0(π−t)sint1+cos2tdt
∴∫π0xsinx1+cos2xdx=12π∫π0sinx1+cos2xdx=−π2∫π0d(cosx)1+cos2x=π24
注:这里有结论:∫π0xf(sinx)dx=π∫π0f(sinx)dx
例4:计算I=∫π2011+tan5xdx
分析:求此函数的原函数很麻烦,而这个积分区间也很特殊,考虑换元t=π2−x,刚好由诱导公式可以进行变形。
解:令t=π2−x,则I=∫π20d(π2−t)1+tan5(π2−x)=∫π20dt1+cot5t=∫π20tan5x1+tan5xdx
2I=∫π2011+tan5xdx+∫π20tan5x1+tan5xdx=π2,∴I=π4
如果积分区间有某种特殊性,尤其是有三角函数的情况,可以使用这种技巧,这将大大简化积分的运算。
有些积分不易计算,但是经过一些变形,有些项可以互相抵消,就可以避开复杂的计算了。
例5:I=∫10ln(1+x)1+x2dx
分析:x=tant是很好的一种换元思路,换元后求∫π40ln(1+tant)dt体现了消项的思路。
解:令x=tant,则I=∫π40ln(1+tant)dt=∫π40ln(sint+costcost)dt=∫π40ln(√2cos(π4−t)cost)dt=∫π4012ln2dt+∫π40lncos(π4−t)dt−∫π40lncostdt=π8ln2
此方法巧妙之处在于,变形以后,难算的积分消掉了。
一般来说,我们先把二重积分转化为定积分求解问题,二重积分比定积分复杂,所以看上去这与化难为易的原则相悖。但是有时候化成二重积分反而易作,因为可以交换积分次序或者改用极坐标形式化简。这时反而是一种似拙实巧的行为。计算概率积分∫+∞−∞e−x2dx就是最经典的一个例子。
例6:I=∫10x3−xlnxdx
分析:直接进行积分没有好的思路,注意到x3−xlnx=∫31xydy,考虑转化为二重积分,并交换积分次序。
解:I=∫10dx∫31xydy=∫31dy∫10xydx=∫311y+1dy=ln2
总结:虽然通过牛顿-莱布尼兹公式可以解决大部分定积分问题,但也有原函数难求或者不能用初等函数表示的情况,有时候从积分区间的特殊性入手,会有很多解决问题的技巧。
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