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3.1.1 常见函数的积分公式和处理手法 + 表格法

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3.1.1 常见函数的积分公式和处理手法 + 表格法

总目录 · 第3章知识点索引

一、 不定积分的概念与性质

💡 【PROPERTY】 1. 互逆运算性质

微分与不定积分是互逆运算,运算次序决定结果形式:

  • 先积后导 / 先积后微: (∫f(x) dx)′=f(x),d(∫f(x) dx)=f(x) dx(\int f(x)\,\mathrm{d}x)' = f(x), \qquad \mathrm{d}\left(\int f(x)\,\mathrm{d}x\right) = f(x)\,\mathrm{d}x
  • 先导后积 / 先微后积(必须加常数 CC): ∫f′(x) dx=f(x)+C,∫df(x)=f(x)+C\int f'(x)\,\mathrm{d}x = f(x) + C, \qquad \int \mathrm{d}f(x) = f(x) + C

判断依据:求导运算会把函数族中的任意常数抹掉,所以先积后导的结果是确定的 f(x)f(x);而”求原函数”这一运算得到的是函数族,族内任意两个成员相差常数,所以先导后积必须补上 CC 才完整。

易错点:只在计算不定积分时要求补 CC。若题目是定积分或变限积分,结果中不得出现任意常数。

💡 【PROPERTY】 2. 线性性质

  • 常数可提:∫kf(x) dx=k∫f(x) dx(k≠0 为常数)\displaystyle\int k f(x)\,\mathrm{d}x = k \int f(x)\,\mathrm{d}x \quad (k \ne 0 \text{ 为常数})
  • 和差可拆:∫[f(x)±g(x)] dx=∫f(x) dx±∫g(x) dx\displaystyle\int [f(x) \pm g(x)]\,\mathrm{d}x = \int f(x)\,\mathrm{d}x \pm \int g(x)\,\mathrm{d}x

使用条件:和差可拆针对的是有限个被积函数之和。被积函数中出现”本身不是待积变量”的字母时(例如对 xx 积分而式中含参数 aa),该字母按常数处理,可以直接提到积分号外;若题设说明它是待求的函数,则不能提。


二、 基本积分公式分类速记

记忆基本积分表的方法是按导数公式反查:每一个积分公式都对应一条求导公式,忘记时把右边求导验算一遍即可确认,这比死背形状更可靠。

1. 幂函数与指数函数

∫xα dx=1α+1xα+1+C(α≠−1),∫1x dx=ln⁡∣x∣+C∫ex dx=ex+C,∫ax dx=axln⁡a+C(a>0, a≠1)\begin{aligned} &\int x^\alpha\,\mathrm{d}x = \frac{1}{\alpha+1}x^{\alpha+1} + C \quad (\alpha \ne -1), \qquad \int \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x = \ln|x| + C \\ &\int e^x\,\mathrm{d}x = e^x + C, \qquad\qquad\qquad\qquad\quad \int a^x\,\mathrm{d}x = \frac{a^x}{\ln a} + C \quad (a>0,\,a\ne 1) \end{aligned}

判断依据:幂函数公式的系数 1α+1\dfrac{1}{\alpha+1} 来自对 xα+1x^{\alpha+1} 求导时落下来的因子 α+1\alpha+1;α=−1\alpha=-1 时该因子为 00,公式失效,此时原函数是对数函数。ln⁡∣x∣\ln|x| 中的绝对值不可省,因为 1x\dfrac{1}{x} 在 x<0x<0 上也有定义。

2. 常见三角函数积分

∫sin⁡x dx=−cos⁡x+C,∫cos⁡x dx=sin⁡x+C∫tan⁡x dx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C=ln⁡∣sec⁡x∣+C,∫cot⁡x dx=ln⁡∣sin⁡x∣+C∫sec⁡2x dx=tan⁡x+C,∫csc⁡2x dx=−cot⁡x+C∫sec⁡xtan⁡x dx=sec⁡x+C,∫csc⁡xcot⁡x dx=−csc⁡x+C\begin{aligned} &\int \sin x\,\mathrm{d}x = -\cos x + C, \qquad \int \cos x\,\mathrm{d}x = \sin x + C \\ &\int \tan x\,\mathrm{d}x = -\ln|\cos x| + C = \ln|\sec x| + C, \qquad \int \cot x\,\mathrm{d}x = \ln|\sin x| + C \\ &\int \sec^2 x\,\mathrm{d}x = \tan x + C, \qquad \int \csc^2 x\,\mathrm{d}x = -\cot x + C \\ &\int \sec x\tan x\,\mathrm{d}x = \sec x + C, \qquad \int \csc x\cot x\,\mathrm{d}x = -\csc x + C \end{aligned}

推导思路:tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x},分子恰为 −cos⁡x-\cos x 的导数,故写成 −∫d(cos⁡x)cos⁡x-\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}(\cos x)}{\cos x} 后即为对数;cot⁡x\cot x 同理。含 sec⁡xtan⁡x\sec x\tan x、csc⁡xcot⁡x\csc x\cot x 的两式直接由 (sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x(\sec x)'=\sec x\tan x、(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\csc x)'=-\csc x\cot x 反查得到。

3. 正割与余割积分(重点难点)

∫sec⁡x dx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C=ln⁡∣tan⁡(x2+π4)∣+C∫csc⁡x dx=−ln⁡∣csc⁡x+cot⁡x∣+C=ln⁡∣csc⁡x−cot⁡x∣+C=ln⁡∣tan⁡x2∣+C\begin{aligned} \int \sec x\,\mathrm{d}x &= \ln|\sec x + \tan x| + C = \ln\left|\tan\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4}\right)\right| + C \\ \int \csc x\,\mathrm{d}x &= -\ln|\csc x + \cot x| + C = \ln|\csc x - \cot x| + C = \ln\left|\tan\frac{x}{2}\right| + C \end{aligned}

4. 含有二次式 / 根式的必背五大公式(a>0a>0)

序号积分公式备注 / 记忆特征
(1)∫dxa2+x2=1aarctan⁡xa+C\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{a^2+x^2} = \frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a} + C无根号,平方和,前有系数 1a\dfrac{1}{a}
(2)∫dxa2−x2=12aln⁡∥a+xa−x∥+C\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{a^2-x^2} = \frac{1}{2a}\ln\left\|\frac{a+x}{a-x}\right\| + C无根号,平方差,因式分解裂项,前有系数 12a\dfrac{1}{2a}
(3)∫dxa2−x2=arcsin⁡xa+C\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{a^2-x^2}} = \arcsin\frac{x}{a} + C有根号,a2−x2a^2-x^2,反三角函数(注意无 1a\dfrac{1}{a})
(4)∫dxx2+a2=ln⁡(x+x2+a2)+C\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2+a^2}} = \ln\left(x+\sqrt{x^2+a^2}\right) + C有根号,平方和,对数形式(绝对值可省略)
(5)∫dxx2−a2=ln⁡∥x+x2−a2∥+C\displaystyle\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2-a^2}} = \ln\left\|x+\sqrt{x^2-a^2}\right\| + C有根号,x2−a2x^2-a^2,对数形式(必须加绝对值)

三、 换元积分法

三类根式的三角代换总结

被积式含根式推荐代换主值区间 / 变量范围三角恒等式与微分关系
a2−x2\sqrt{a^2-x^2}x=asin⁡tx = a\sin t
(或 x=acos⁡tx = a\cos t)
t∈[−π2,π2]t \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right]
(cos⁡\cos 取 t∈[0,π]t\in[0,\pi])
a2−x2=acos⁡t\sqrt{a^2-x^2} = a\cos t
dx=acos⁡t dt\mathrm{d}x = a\cos t\,\mathrm{d}t
a2+x2\sqrt{a^2+x^2}x=atan⁡tx = a\tan tt∈(−π2,π2)t \in \left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right)a2+x2=asec⁡t\sqrt{a^2+x^2} = a\sec t
dx=asec⁡2t dt\mathrm{d}x = a\sec^2 t\,\mathrm{d}t
x2−a2\sqrt{x^2-a^2}x=asec⁡tx = a\sec tx>0  ⟹  t∈[0,π2)x > 0 \implies t \in \left[0, \dfrac{\pi}{2}\right)
x<0  ⟹  t∈(π2,π]x < 0 \implies t \in \left(\dfrac{\pi}{2}, \pi\right]
x2−a2=atan⁡t\sqrt{x^2-a^2} = a\tan t
dx=asec⁡ttan⁡t dt\mathrm{d}x = a\sec t\tan t\,\mathrm{d}t

四、 分部积分法

1. 选 uu 与 vv 的黄金法则:“反对幂指三”

  • 顺序:反(反三角)→\to 对(对数)→\to 幂(多项式/幂函数)→\to 指(指数)→\to 三(三角)
  • 选取原则:
    • 越靠左   ⟹  \implies 越优先选作 u(x)u(x)(难以直接积分,通过求导降低求积难度 / 化为代数式);
    • 越靠右   ⟹  \implies 越容易凑入微分号选作 v′(x)v'(x)(积分简便,即 ∫v du\int v\,\mathrm{d}u 比原式更易积)。

2. 常见题型与处理策略

  1. 形如 ∫Pn(x)eax dx\displaystyle\int P_n(x)e^{ax}\,\mathrm{d}x、∫Pn(x)sin⁡ax dx\displaystyle\int P_n(x)\sin ax\,\mathrm{d}x、∫Pn(x)cos⁡ax dx\displaystyle\int P_n(x)\cos ax\,\mathrm{d}x:
    • 设 u=Pn(x)u = P_n(x)(求导降次),指数/三角函数凑入 d\mathrm{d}。
    • 终止条件:多项式求导 nn 次后归零,所以这类积分总能用有限次分部积完,不存在循环项。
  2. 形如 ∫Pn(x)ln⁡x dx\displaystyle\int P_n(x)\ln x\,\mathrm{d}x、∫Pn(x)arctan⁡x dx\displaystyle\int P_n(x)\arctan x\,\mathrm{d}x、∫Pn(x)arcsin⁡x dx\displaystyle\int P_n(x)\arcsin x\,\mathrm{d}x:
    • 设 u=ln⁡xu = \ln x 或反三角函数,多项式 Pn(x)P_n(x) 凑入 d\mathrm{d} 积分升次。
    • 判断依据:这里多出来的一次分部会让多项式升次,但代价是 uu 的导数变简单,总体仍然化简;所以顺序与第 1 类相反。
  3. 形如 ∫eaxsin⁡bx dx\displaystyle\int e^{ax}\sin bx\,\mathrm{d}x、∫eaxcos⁡bx dx\displaystyle\int e^{ax}\cos bx\,\mathrm{d}x:
    • 连续两次分部积分使原积分重现(循环),通过移项解出原积分(或直接使用表格法/待定系数法)。
    • 注意事项:两次分部必须都取同类因子作 uu(都取三角函数,或都取指数函数),否则第二次会积回原式而无法得到方程。

五、 表格法(分部积分快速运算)

1. 理论公式与操作机制(横排法)

分部积分多次展开的一般形式为:

∫uv(4) dx=uv(3)−u′v′′+u′′v′−u(3)v+∫u(4)v dx\int u v^{(4)}\,\mathrm{d}x = u v^{(3)} - u' v'' + u'' v' - u^{(3)} v + \int u^{(4)} v\,\mathrm{d}x

横排表格构建与计算规则:

  • 上行(uu 序列):依次向右写出 uu 及其逐阶导数:u→u′→u′′→u(3)→⋯u \to u' \to u'' \to u^{(3)} \to \cdots
  • 下行(vv 序列):依次向右写出 v′v' 及其逐阶原函数:v′→v→v1→v2→⋯v' \to v \to v_1 \to v_2 \to \cdots
  • 错位相乘与符号:从上行第 1 项向右下方(下行第 2 项)错位连线相乘,各项符号按 ++、−-、++、−- 相间交替;
  • 末项处理:若上行未归零,则最后一列上下垂直相乘并带积分号(即 ±∫u(n)vn dx\pm\int u^{(n)} v_n\,\mathrm{d}x)。

2. 典型题型示例

类型一:多项式 ×\times 指数/三角函数(有限步终止到 0)

横排表格:

序列项初始项1阶2阶3阶4阶
uu 的各阶导数(向右求导)x3+2x+6x^3+2x+63x2+23x^2+26x6x6600
错位连线与符号↘ (+)\searrow\ (+)↘ (−)\searrow\ (-)↘ (+)\searrow\ (+)↘ (−)\searrow\ (-)导数为 0 终止
vv 的各阶原函数(向右积分)e2xe^{2x}12e2x\dfrac{1}{2}e^{2x}14e2x\dfrac{1}{4}e^{2x}18e2x\dfrac{1}{8}e^{2x}116e2x\dfrac{1}{16}e^{2x}

错位相乘展开与整理:

∫(x3+2x+6)e2x dx=+(x3+2x+6)⋅12e2x−(3x2+2)⋅14e2x+(6x)⋅18e2x−(6)⋅116e2x+C=(12x3−34x2+74x+178)e2x+C\begin{aligned} \int(x^3+2x+6)e^{2x}\,\mathrm{d}x &= +(x^3+2x+6)\cdot\frac{1}{2}e^{2x} - (3x^2+2)\cdot\frac{1}{4}e^{2x} + (6x)\cdot\frac{1}{8}e^{2x} - (6)\cdot\frac{1}{16}e^{2x} + C \\ &= \left(\frac{1}{2}x^3 - \frac{3}{4}x^2 + \frac{7}{4}x + \frac{17}{8}\right)e^{2x} + C \end{aligned}

结果检验:对 (12x3−34x2+74x+178)e2x\left(\dfrac{1}{2}x^3 - \dfrac{3}{4}x^2 + \dfrac{7}{4}x + \dfrac{17}{8}\right)e^{2x} 求导,e2xe^{2x} 会带出因子 22,三阶项系数恰为 11,二次项与一次项在求导后相互配合消去,可核回原被积函数——这类多项式乘指数的结果总可以这样验算。


类型二:指数函数 ×\times 三角函数(循环移项型)

横排表格:

序列项初始项1阶2阶(出现循环项)
uu(三角向右求导)sin⁡x\sin xcos⁡x\cos x−sin⁡x-\sin x
连线与符号↘ (+)\searrow\ (+)↘ (−)\searrow\ (-)↓ (+)\downarrow\ (+)(垂直同列相乘带积分)
vv(指数向右积分)exe^xexe^xexe^x

列式计算与移项:

∫exsin⁡x dx=+(sin⁡x)⋅ex−(cos⁡x)⋅ex+∫(−sin⁡x)⋅ex dx=ex(sin⁡x−cos⁡x)−∫exsin⁡x dx\begin{aligned} \int e^x\sin x\,\mathrm{d}x &= +(\sin x)\cdot e^x - (\cos x)\cdot e^x + \int (-\sin x)\cdot e^x\,\mathrm{d}x \\ &= e^x(\sin x - \cos x) - \int e^x\sin x\,\mathrm{d}x \end{aligned}

移项合并得:

∫exsin⁡x dx=12ex(sin⁡x−cos⁡x)+C\int e^x\sin x\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}e^x(\sin x - \cos x) + C

横排表格(设 u=cos⁡2xu = \cos 2x):

序列项初始项1阶2阶(出现循环项)
uu(三角求导)cos⁡2x\cos 2x−2sin⁡2x-2\sin 2x−4cos⁡2x-4\cos 2x
连线与符号↘ (+)\searrow\ (+)↘ (−)\searrow\ (-)↓ (+)\downarrow\ (+)(垂直同列相乘带积分)
vv(指数积分)exe^xexe^xexe^x

列式计算与移项:

∫excos⁡2x dx=+(cos⁡2x)⋅ex−(−2sin⁡2x)⋅ex+∫(−4cos⁡2x)⋅ex dx=excos⁡2x+2exsin⁡2x−4∫excos⁡2x dx\begin{aligned} \int e^x\cos 2x\,\mathrm{d}x &= +(\cos 2x)\cdot e^x - (-2\sin 2x)\cdot e^x + \int (-4\cos 2x)\cdot e^x\,\mathrm{d}x \\ &= e^x\cos 2x + 2e^x\sin 2x - 4\int e^x\cos 2x\,\mathrm{d}x \end{aligned}

移项解得:

5∫excos⁡2x dx=ex(cos⁡2x+2sin⁡2x)  ⟹  ∫excos⁡2x dx=15ex(cos⁡2x+2sin⁡2x)+C5\int e^x\cos 2x\,\mathrm{d}x = e^x(\cos 2x + 2\sin 2x) \implies \int e^x\cos 2x\,\mathrm{d}x = \frac{1}{5}e^x(\cos 2x + 2\sin 2x) + C

3. 指三乘积统一公式(可作验算备用)

我的总结

  • 本节所有公式都是从求导公式”倒着读”得来的。忘记积分公式时,与其回忆形状,不如把右边求导一遍验算,这个方法对幂函数系数、sec⁡\sec 与 csc⁡\csc 的正负号都适用。
  • 含二次式与根式的五个公式,我按两个维度区分:有没有根号决定系数是 1a\dfrac{1}{a} 类还是 11,是平方差还是平方和决定用反三角还是对数、以及要不要加绝对值。其中 ∫dxa2−x2\displaystyle\int\frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{a^2-x^2}} 无系数这一点我错过,需要单独标出。
  • 两类换元我按”能不能直接凑出导数”来选:能凑就用第一类,不必改写自变量;不能凑且含根式或 ln⁡x\ln x、exe^x 就用第二类,但必须把 dx\mathrm{d}x 与上下限一起换掉。
  • 分部积分的选 uu 顺序(反对幂指三)背后只有一条标准:uu 求导后要变简单,dv\mathrm{d}v 要容易积。遇到常规顺序不适用的题目,回到这条标准判断,比硬套顺序可靠。
  • 表格法我掌握到”能写出表格并正确配符号”即可,重点是符号交替来自每一次分部的 −1-1,末列垂直相乘要带积分号。多项式乘指数用表格法可以一次写到底,指数乘三角则要用表格法导出方程再移项。
  • 指三乘积统一公式我只作验算用:先按表格法算出结果,再用公式核对系数,防止解答题里因公式记错而丢分。

参考资料

  • 考研数学历年真题(年份与卷种随题标注):2024 年二重积分大题(用到 ln⁡∣tan⁡x2∣+C\ln\left|\tan\dfrac{x}{2}\right|+C 的化简)
  • 常见考研数学教材与辅导资料
  • 本人课程学习笔记;其中”表格法逐阶求导—逐阶积分、错位连线配符号”的书写格式与选 uu 顺序”反对幂指三”的归纳,参考自某考研数学课程讲义

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