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积分

积分是求导的逆运算:如果 F′(x) = f(x),那么 ∫f(x) dx = F(x) + C。我们可以用常用公式、换元法(把里面的一部分换成 u)、部分分式(把一个分式拆开)和分部积分(∫u dv = uv − ∫v du)来求积分。定积分 ∫ₐᵇ f(x) dx 表示曲线从 a 到 b 之间带符号的面积,基本定理告诉我们它等于 F(b) − F(a)。利用定积分的性质,很多难题都会变简单。

🎬 分步故事

  1. 积分就是反过来求导。2x 是 x²、x² + 1、x² − 2 等函数的导数,所以 ∫2x dx = x² + C。这些曲线只是上下平移,每一点的斜率都一样。
  2. 换元法:把里面的部分记为 u。在 ∫2x·cos(x²) dx 中,令 u = x²,则 du = 2x dx,积分就变成 ∫cos u du。
  3. 部分分式把一个难分式拆成两个简单的分式。分部积分用公式 ∫u dv = uv − ∫v du,并按 ILATE 的顺序选 u。
  4. 定积分就是曲线下方的面积。矩形越分越细,它们的面积之和就越接近准确的面积 8/3。
  5. 基本定理:∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a)。对于从 −a 到 a 的奇函数,上面的部分和下面的部分互相抵消,结果是 0。
  6. 轮到你了:改变函数、矩形个数 n 和上限 b,把估计值和准确值比一比。

提示:拖动3D画面可以旋转,用两根手指可以缩放。

🤔 常见疑问,一次讲清

为什么要加 + C?

很多函数的导数是一样的,它们只是整体上下平移了一个常数。3D 图里有四条平行的曲线,在每个 x 处斜率都相同。

我怎么知道该用哪种换元?

找一个藏在另一个函数里面的函数,并且它的导数也出现在外面。在 2x cos(x²) 中,x² 在里面,2x 就是它的导数。

什么时候需要部分分式?

当被积函数是多项式的分式,而且分母可以分解成因式时,比如 1/((x + 1)(x + 2))。

为什么叫“分部”积分?

你把被积函数分成 u 和 dv 两部分,再用 uv − ∫v du 把原来的积分换成一个更容易的积分。

为什么矩形越多,越接近面积?

矩形越细,越贴合曲线,剩下的空隙就越小。看估计值怎样变化:1、1.75、2.19、2.42 …… 慢慢接近 2.667。

为什么定积分里没有 + C?

F(b) + C − (F(a) + C) = F(b) − F(a)。C 被抵消了。

定积分可以是负数吗?

可以。x 轴下方的面积算负。在自由练习里选一个函数,看看数值;第 5 步的奇函数有正的部分和负的部分,它们互相抵消。

积分是求导的逆运算

如果 d/dx F(x) = f(x),那么 F 叫做 f 的原函数,我们写成 ∫f(x) dx = F(x) + C。C 叫做积分常数:加上任何常数都不会改变斜率,所以答案有一整族。

做完以后一定要检查:对结果求导,必须得到被积函数。

两条基本法则:∫[f ± g] dx = ∫f dx ± ∫g dx,以及 ∫k f dx = k∫f dx。

常用积分公式

对于 ∫dx/(ax² + bx + c),先配方,把它化成上面的某一种形式。

换元积分法

当被积函数里有一个函数,而且它的导数(相差一个倍数)也在里面时,就把里面的函数记为 u。

∫2x cos(x²) dx:令 u = x²,du = 2x dx → ∫cos u du = sin u + C = sin(x²) + C。

常用结论:∫tan x dx = ln|sec x| + C,∫sec x dx = ln|sec x + tan x| + C,∫f′(x)/f(x) dx = ln|f(x)| + C。

部分分式积分法

对于真分式 P(x)/Q(x),把它拆开:

取方便的 x 值就能求出 A、B,然后把每一项积成对数。如果分子的次数不比分母小,要先做除法。

分部积分法

∫u dv = uv − ∫v du,也可以写成 ∫f·g dx = f∫g dx − ∫[f′ ∫g dx] dx。

用 ILATE 选 u(第一个函数)。∫x eˣ dx:u = x,dv = eˣ dx → x eˣ − ∫eˣ dx = eˣ(x − 1) + C。

特殊结论:∫eˣ[f(x) + f′(x)] dx = eˣ f(x) + C。

定积分与基本定理

∫ₐᵇ f(x) dx 是把曲线 y = f(x) 下方从 a 到 b 的许多细矩形面积相加后取极限(x 轴上方的面积算正,下方的算负)。

微积分基本定理:(1) A(x) = ∫ₐˣ f(t) dt 的导数是 A′(x) = f(x)。(2) 如果 F′ = f,那么 ∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a)。这里不需要 +C。

在定积分中做换元时,积分上下限也要跟着换。

定积分的性质与计算

  1. ∫ₐᵇ f(x) dx = ∫ₐᵇ f(t) dt(用什么字母无所谓)。
  2. ∫ₐᵇ f = −(从 b 到 a 的 ∫f);∫ₐᵃ f = 0。
  3. 从 a 到 b 的积分 = 从 a 到 c 的积分 + 从 c 到 b 的积分(在 c 处分开,对 |x| 这类函数很有用)。
  4. ∫ₐᵇ f(x) dx = ∫ₐᵇ f(a + b − x) dx。
  5. ∫₀ᵃ f(x) dx = ∫₀ᵃ f(a − x) dx。
  6. ∫₀²ᵃ f(x) dx = 2∫₀ᵃ f(x) dx(当 f(2a − x) = f(x) 时);当 f(2a − x) = −f(x) 时等于 0。
  7. ∫₋ₐᵃ f(x) dx:f 是偶函数时等于 2∫₀ᵃ f(x) dx;f 是奇函数时等于 0。

经典例题:I = ∫₀^(π/2) sin x/(sin x + cos x) dx。由性质 5,I 也等于 ∫ cos x/(cos x + sin x) dx。两式相加:2I = ∫₀^(π/2) 1 dx = π/2,所以 I = π/4。

重点公式和概念

例题讲解

1. 求 ∫(3x² + 4x − 5) dx。

x³ + 2x² − 5x + C。检查:求导得 3x² + 4x − 5。

2. 求 ∫(x + 1)/x dx。

∫(1 + 1/x) dx = x + ln|x| + C。

3. 求 ∫ sin³x cos x dx。

令 u = sin x,du = cos x dx。∫u³ du = u⁴/4 + C = sin⁴x/4 + C。

4. 求 ∫ dx/(x² + 4x + 13)。

x² + 4x + 13 = (x + 2)² + 9。所以结果 = (1/3) tan⁻¹((x + 2)/3) + C。

5. 求 ∫ (x + 5)/((x + 1)(x + 2)) dx。

(x + 5)/((x + 1)(x + 2)) = A/(x + 1) + B/(x + 2)。令 x = −1:A = 4。令 x = −2:B = −3。答案:4 ln|x + 1| − 3 ln|x + 2| + C。

6. 求 ∫ x cos x dx。

u = x(幂),dv = cos x dx(三角)。v = sin x。= x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x + C。

7. 求 ∫ ln x dx。

写成 ∫ln x · 1 dx,令 u = ln x,dv = dx。= x ln x − ∫x·(1/x) dx = x ln x − x + C。

8. 计算 ∫₀² (x² + 1) dx。

[x³/3 + x]₀² = 8/3 + 2 = 14/3。

9. 计算 ∫₋₁¹ x³ cos x dx。

x³ cos x 是奇函数(f(−x) = −f(x)),所以从 −1 到 1 的积分是 0。

10. 计算 ∫₀^(π/2) sin²x dx。

由性质 5,它等于 ∫₀^(π/2) cos²x dx。两式相加,2I = ∫₀^(π/2) 1 dx = π/2,所以 I = π/4。

常见错误

练习测验

1. ∫cos x dx =
2. ∫ dx/(1 + x²) =
3. 在 ∫x·ln x dx 中,按 ILATE,u 应该取:
4. ∫₀¹ 2x dx =
5. 如果 f 是奇函数,∫₋ₐᵃ f(x) dx =

练习:自己动手回答

输入或选择你的答案,然后点“检查”。卡住了就看提示;回答后会显示完整解答。

常见问题

高三积分有哪几种主要方法?

常用公式、换元法、部分分式和分部积分,另外还有通过配方得到的特殊形式。

ILATE 规则是什么?

它是分部积分时选 u 的顺序:反三角、对数、幂(代数)、三角、指数。

高三要证明微积分基本定理吗?

不用,只需要知道并会用:∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a)。

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