求定积分的一些技巧

  • 定积分
高航·浙江大学
2016-08-08
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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。

  • 利用函数的奇偶性

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)llf(x)dx=0;对于偶函数f(x)llf(x)dx=2l0f(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llf(x)dx=2l0h(x)dx

例1:02(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:02(x+2)dxx2+2x+2=1 - 1(t+1)dtt2+1dt=11tt2+1dt+111t2+1dt=2101t2+1dt=arctant|11=π2

使用奇函数的积分性质问题就很简单了。

例2:22xln(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+ex)]=12xln(2+ex+ex)f(x)+f(x)2=12x[ln(1+ex)ln(1+ex)]=12x2.

因而22xln(1+ex)dx=2212xln(2+ex+ex)dx+2212x2dx=20x2dx=83.

  • 换元代换法

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+bx.

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=πx换元的话,关于sinx的部分是不会改变的。

解:令t=πxπ0xsinx1+cos2xdx=π0(πt)sin(πt)1+cos2(πt)d(πt)=π0(πt)sint1+cos2tdt

π0xsinx1+cos2xdx=12ππ0sinx1+cos2xdx=π2π0d(cosx)1+cos2x=π24

注:这里有结论:π0xf(sinx)dx=ππ0f(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=π2x,刚好由诱导公式可以进行变形。

解:令t=π2x,则I=π20d(π2t)1+tan5(π2x)=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。

  • 消项法

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(π4t)cost)dt=π4012ln2dt+π40lncos(π4t)dtπ40lncostdt=π8ln2

此方法巧妙之处在于,变形以后,难算的积分消掉了。

  • 化为二重积分

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+ex2dx就是最经典的一个例子。

例6:I=10x3xlnxdx

分析:直接进行积分没有好的思路,注意到x3xlnx=31xydy,考虑转化为二重积分,并交换积分次序。

解:I=10dx31xydy=31dy10xydx=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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