3.3 变(上)限积分
核心结论
把定积分 ∫abf(t)dt 的上限 b 换成变量 x,得到的
F(x)=∫axf(t)dt
是一个关于 x 的函数:x 每取一个值,就对应一块位置确定、大小随 x 变化的曲边梯形面积。这个”用积分造函数”的过程之所以是本章枢纽,是因为它同时连着三件事:定积分(可积性)、不定积分(原函数)、微分(求导)。
本节要把结论压实成五条:
- 求导公式(前提:被积函数 f 连续,上下限 ϕ(x),φ(x) 可导)
Φ′(x)=dxd∫ϕ(x)φ(x)f(t)dt=f[φ(x)]φ′(x)−f[ϕ(x)]ϕ′(x)
“连续”不能用”可积”顶替:若 f 在积分限对应点处不连续,公式直接失效,只能回到导数定义式(见下文三)。
- 连续性:f 在 [a,b] 上可积 ⟹F(x)=∫axf(t)dt 在 [a,b] 上连续。可积意味着有界,高度有界的窄条面积可以任意小,所以积分值不可能跳变。
- 可导性:若 f 只在 x0 处可能间断、其余点连续,则 F 在 x0 处必连续;可导与否完全由 f 在 x0 处的间断类型决定——连续或可去 → 可导,跳跃 → 连续但不可导。
- 可积与原函数是两条互不蕴含的标准:可积问的是定积分存不存在(先要有界),原函数问的是能否找到 F′=f(连续必存在,有第一类间断点必不存在)。
- 转化法则:f 连续时,∫axf(t)dt 就是 f 的一个原函数,于是综合题里的不定积分都可以改写成变上限积分——换来的好处是任意常数唯一确定、可以对等式直接求导。
以下按”几何直观 → 连续与可导 → 推导与辨析 → 真题实战”展开。
3.3.1 变上限积分几何意义 + 可导性
一、 几何意义与图像判定
几何意义:F(x)=∫0xf(t)dt 等于 0 到 x 区间内 f(t) 与 t 轴围成的图形的代数面积——t 轴上方的面积取正、下方的面积取负,逐段累加。
由此可以提炼出三条判图依据,凡”给 f 的图象、选 F 的图象”型选择题都从这三条入手:
- 连续性依据:面积是累积出来的,随上限连续变化,图象不允许出现跳跃断点。若某个选项在中间某点被一条竖线”断开”,该项必错。
- 上下限变号的依据:当 x 落在下限左侧时,∫0xf(t)dt=−∫x0f(t)dt,符号与”正常方向积分”相反。这是判断 F 在局部区间正负的最快工具。
- 单调性依据:F′(x)=f(x),故 f 的符号直接决定 F 的增减、f 的零点对应 F 的水平切线。
💡 【CHOICE】 例 3.75|2009 数一、数二、数三真题
设函数 y=f(x) 在区间 [−1,3] 上的图形如图所示,则函数 F(x)=∫0xf(t)dt 的图形为( )。

【解析】
依次用上面三条依据排除选项:
- 用连续性依据排除 B:积分是面积的累加,上限连续变动时面积必连续变动,图象上不可能出现”断崖式跌落”。选项 B 在 x=2 处出现竖直断裂,直接排除。
- 用变号依据排除 A、C:考查 x∈(−1,0)。此时上限 x 小于下限 0,先颠倒上下限:
F(x)=∫0xf(t)dt=−∫x0f(t)dt
由题图,在 [−1,0] 上 f(t)>0(图象在 t 轴上方),故按正常方向积分 ∫x0f(t)dt>0,添上负号后
∴F(x)=−∫x0f(t)dt<0(x∈(−1,0))
也就是说这一段 F 必须在 x 轴下方,而选项 A、C 在 (−1,0) 上 F(x)>0,排除。
- 用单调性依据验证 D:F′(x)=f(x),所以 f(x)<0 于 (0,1) ⟹F 递减;f(x)>0 于 (1,2) ⟹F 递增;f(x)=0 于 (2,3) ⟹F 保持水平。三条特征全部吻合的只有 D。
本题选 D。
二、 连续性与可导性三大核心结论
三、 求导公式的推导与常见误区辨析
1. 为什么被积函数不连续时变上限积分仍可能可导?
求导公式 Φ′(x)=f[φ(x)]φ′(x)−f[ϕ(x)]ϕ′(x) 的前提是 f 连续。一旦 f 在 x0 处不连续,就不能再套公式,只能回到导数定义式:
F′(x0)=limx→x0x−x0F(x)−F(x0)=limx→x0x−x0∫axf(t)dt−∫ax0f(t)dt=limx→x0x−x0∫x0xf(t)dt
由于 F 连续,分子分母都趋于 0,这是"00"型。处理办法:单独改变 f 在 x0 一点的值不影响积分值,故可把 f(x0) 替换为 limx→x0f(x)(可去间断时)得到一个连续函数,再对它用积分中值定理,得
F′(x0)=limx→x0x−x0∫x0xf(t)dt=limx→x0f(x)
(形式上写成”洛必达”也可以,但要清楚洛必达的条件本身要求 f 在 x0 连续;严格论证靠的是上面”改一点不值钱 + 积分中值定理”。)
结论一目了然:
- 可去间断点:极限 x→x0limf(x) 存在,故 F′(x0) 必定存在,且 F′(x0)=x→x0limf(x);
- 跳跃/震荡间断点:极限 x→x0limf(x) 不存在,故 F′(x0) 必定不存在。
2. 与达布定理的冲突辨析
四、 经典真题与高频题型实战
💡 【CHOICE】 例 3.76|2013 数二真题
设函数 f(x)={sinx,2,0≤x<π,π≤x≤2π,F(x)=∫0xf(t)dt,则( )。
A. x=π 是函数 F(x) 的跳跃间断点
B. x=π 是函数 F(x) 的可去间断点
C. F(x) 在 x=π 处连续但不可导
D. F(x) 在 x=π 处可导
【解析】
思路一:直接对照可导性对照表
- 变上限积分保连续,F(x) 在定义域上处处连续,一切”间断点”选项(A、B)都不成立;
- 再看 f 在 x=π 处的左右极限:
limx→π−f(x)=sinπ=0,limx→π+f(x)=2
左右极限都存在但不相等,故 x=π 是 f 的跳跃间断点;
- 对照表中第 (3) 行:被积函数为跳跃间断点 ⟹F 在该点连续但不可导,选 C。
思路二:用定义式算左右导数(不依赖对照表)
- 左导数:
F−′(c)=limx→c−x−cF(x)−F(c)=limx→c−x−c−∫xcf(t)dt=洛必达limx→c−f(x)=f(c−)=0
- 右导数:
F+′(c)=limx→c+x−cF(x)−F(c)=limx→c+x−c∫cxf(t)dt=洛必达limx→c+f(x)=f(c+)=2
- F−′(c)=F+′(c),故 F 在 x=π 处不可导。
💡 【CHOICE】 例 3.77|基础三十讲 例 8.13
设 f(x)={ex2+x2,a,x=0,x=0, 其中 a 为常数,令 F(x)=∫−1xf(t)dt,则以下命题:
① 当 a=1 时,F(x) 在 x=0 处可导;
② 当 a=1 时,F(x) 在 x=0 处可导;
③ 当 a=1 时,F(x) 在 x=0 处不可导;
④ 当 a=1 时,F(x) 在 x=0 处不可导。
所有真命题的序号为( )。
A. ①④
B. ①②
C. ③④
D. ②③
【解析】
先算 f 在 x=0 处的极限:
limx→0f(x)=limx→0(ex2+x2)=e0+0=1
- 当 a=1 时:f(0)=1=limx→0f(x),f 在 x=0 处连续,F 在 x=0 处可导且 F′(0)=f(0)=1(命题 ① 正确);
- 当 a=1 时:f(0)=a=limx→0f(x),x=0 是 f 的可去间断点。此时对照表中第 (2) 行仍然给出”可导”,直接验算:
F′(0)=limx→0x−0∫−1x(et2+t2)dt−∫−10(et2+t2)dt=洛必达limx→0(ex2+x2)=1
即 a 取何值都不影响结果,F′(0) 恒存在且等于 1(命题 ② 正确)。
所有真命题为 ①②,本题选 B。
3.3.2 可积与原函数存在
一、 可积性(定积分存在性)
使用提示:这三个充分条件不是并列选一个用,而是按”函数表现有多坏”依次放宽;(3) 是最常用的考场判据,因为分段函数的间断点几乎都是第一类。
二、 原函数的存在性
为什么第 2 条成立:若 F′=f 处处成立,则 F 可导从而连续,且由达布定理 f 具有介值性。而可去间断点与跳跃间断点都违反介值性,故矛盾。
三、 关于可积与原函数存在的五条核心认知
- 可积看定积分,原函数看不定积分,二者通常互不隶属:
- 可积关注的是定积分(围成的几何面积是否存在);原函数关注的是不定积分(能否找到一个导函数等于它)。
- 可积不一定存在原函数(如含跳跃间断点的分段函数在闭区间上可积,但由于第一类间断点无原函数);
- 存在原函数不一定可积(如导函数在开区间内无界时不可积)。
- 原函数存在性的分类判决法则:
- 连续 ⟹ 必定存在原函数;
- 有第一类间断点或无穷间断点 ⟹ 必定不存在原函数;
- 只有震荡间断点 ⟹ 可能存在原函数。
- 可积的直观本质:一个点不占面积:
- 定积分看的是面积,改变有限个点甚至可数个点的取值,对应矩形的底边长趋于 0、面积贡献恒为 0,因此既不影响可积性,也不影响积分值。
- 拓展:即使有无穷多个间断点也可能可积(如黎曼函数 Riemann function 在 [0,1] 内有无穷多个可去间断点,但它依然黎曼可积且积分为 0)。考研大纲不要求实变分析的严格讨论,掌握上述判据即可。
- 变上限积分与不定积分不是同一个对象:
- 变上限积分 ∫axf(t)dt 带有具体的积分限,是一个确定的函数,不含任意常数;不定积分代表原函数族,必须带任意常数 +C。
- 关键的交叉点:
- 当被积函数 f(x) 连续时,它既可积,又必存在原函数,并且其变上限积分 ∫axf(t)dt 就是 f(x) 的一个标准原函数。
- 这正是 3.3.3 节”不定积分与变上限积分互相转化”的全部依据。
3.3.3 不定积分和变上限积分的转化
一、 2018 数一压轴大题深度破解
【解析】
(Ⅰ)求解特例通解:
这是一阶线性非齐次微分方程,直接套用通解公式:
y=e−∫1dx(∫xe∫1dxdx+C)=e−x(∫xexdx+C)=e−x((x−1)ex+C)=x−1+Ce−x
其中 C 为任意常数。
(Ⅱ)证明唯一周期解:
为什么必须改写为变上限积分?
若写成常规的不定积分通解:
y(x)=e−x[∫f(x)exdx+C1],y(x+T)=e−(x+T)[∫f(x+T)ex+Td(x+T)+C2]
则两个不定积分各自带一个互无关系的常数 C1,C2,作差时既消不掉不定积分,也无法确定常数。改写为变上限积分(下限可任取,取 0 最方便):
y(x)=e−x[∫0xf(t)etdt+C]
y(x+T)=e−(x+T)[∫0x+Tf(t)etdt+C]
(⚠️ 写成变上限积分后,任意常数统一为一个唯一的 C。)
将周期性条件 y(x+T)−y(x)=0 展开:
e−x−T∫0x+Tf(t)etdt+Ce−x−T−e−x∫0xf(t)etdt−Ce−x=0
两边同乘 ex:
e−T∫0x+Tf(t)etdt−∫0xf(t)etdt+C(e−T−1)=0
解出常数 C:
C=1−e−T1[e−T∫0x+Tf(t)etdt−∫0xf(t)etdt]
方括号内两个积分的上限都含 x。接下来要解决的问题就是:如何说明 C 与 x 无关?
方法一:拆分区间换元法(硬核解出 C 的具体常数值)
拆分左边积分区间为 [0,T] 与 [T,x+T]:
∫0x+Tf(t)etdt=∫0Tf(t)etdt+∫Tx+Tf(t)etdt
其中 ∫0Tf(t)etdt 显然是常数。对第二项进行区间平移换元,令 u=t−T(则 t=u+T,dt=du):
∫Tx+Tf(t)etdt=∫0xf(u+T)eu+Tdu=f(u+T)=f(u)eT∫0xf(u)eudu=eT∫0xf(t)etdt
将此拆分结果代回 C 的表达式中:
C=1−e−T1[e−T(∫0Tf(t)etdt+eT∫0xf(t)etdt)−∫0xf(t)etdt]=1−e−T1e−T∫0Tf(t)etdt+=0 精确抵消!∫0xf(t)etdt−∫0xf(t)etdt=1−e−Te−T∫0Tf(t)etdt=eT−11∫0Tf(t)etdt(常数!!!)
解出的 C 不含 x,是一个唯一确定的实常数,因此方程存在唯一的以 T 为周期的解!
方法二:导数法证明与 x 无关(直接证导数为 0)
设辅助函数:
g(x)=1−e−T1[e−T∫0x+Tf(t)etdt−∫0xf(t)etdt]
对 x 求导(利用变上限积分求导法则):
g′(x)=1−e−T1[e−T⋅f(x+T)ex+T⋅(x+T)′−f(x)ex]
由于 f(x+T)=f(x),方括号内整理为:
e−T⋅f(x)ex⋅eT−f(x)ex=f(x)ex−f(x)ex≡0
故 g′(x)≡0,说明 g(x) 恒为常数!若要求该常数具体值,直接令 x=0:
C=g(0)=1−e−T1[e−T∫0Tf(t)etdt−0]=eT−11∫0Tf(t)etdt
两种方法殊途同归:第一种直接算出常数值,第二种把”是否为常数”化归为”导数是否为零”,都是处理”含 x 的积分组合”的标准手段。
二、 不定积分常数歧义与变上限积分的唯一确定性
三、 经典模拟题高频题型实战
【解析】
- 用区间代换化简卷积型变限积分:
在积分 ∫0xf(x−t)dt 中令 u=x−t,则 t=0→u=x,t=x→u=0,dt=−du:
∫0xf(x−t)dt=∫x0f(u)(−du)=∫0xf(u)du
原积分方程化为:
f(x)∫0xf(u)du=sin4x
(这一步的作用:把含 x−t 的”卷积型”上限化为普通变上限积分,方便识别导数结构。)
- 识别导数复合结构:
设 Y(x)=∫0xf(u)du,则 Y′(x)=f(x)(f 连续,可直接用求导公式),且 Y(0)=0。方程即为:
Y′(x)Y(x)=sin4x⟺21[Y2(x)]′=sin4x
- 两边取变上限积分而不求不定积分:
💡 为什么取变上限积分:若直接算不定积分 ∫sin4xdx,需要两次二倍角展开降幂,过程冗长;而从 0 到 x 取变上限积分,既自动满足初值条件 Y(0)=0,又省去常数讨论:
[Y2(x)]=2∫0xsin4tdt
- 代入端点并应用 Wallis(点火)公式:
令 x=2π:
Y2(2π)=2∫0π/2sin4tdt=2⋅(43⋅21⋅2π)=83π
因为 f(x)≥0,故 Y(2π)=∫0π/2f(u)du=83π。
- 计算函数平均值:
fˉ=2π∫0π/2f(x)dx=2π83π=83π⋅π2=2π3=2π6π
3.3.4 “雨露均沾” + 变限积分和二重积分的转化
一、 “雨露均沾”思想精髓
二、 经典例题一题多解实战
【解析】
三种解法思路不同,但都把答案归结到同一个定积分。
方法一:传统分部积分法(统一形式)
∫01f(x)dx=xf(x)∣01−∫01xarcsin(x−1)2dx=f(1)−∫01xarcsin(x−1)2dx
因为 f(0)=0,所以 f(1)=f(1)−f(0)=∫01f′(x)dx=∫01arcsin(x−1)2dx。将其带入统一形式:
∫01f(x)dx=∫01arcsin(x−1)2dx−∫01xarcsin(x−1)2dx=∫01(1−x)arcsin(x−1)2dx
方法二:“雨露均沾”分部积分法(※※ 秒杀)
直接将 dx 凑成 d(x−1):
∫01f(x)dx=∫01f(x)d(x−1)=0−0=0(x−1)f(x)01−∫01(x−1)f′(x)dx=∫01(1−x)arcsin(x−1)2dx
边界项一步消零,省去方法一中”先算 f(1) 再合并”的代数步骤。
方法三:二重积分 + 交换积分次序(※ 几何法)
因为 f(0)=0,故可将函数写成变上限积分:
f(x)=∫0xf′(t)dt=∫0xarcsin(t−1)2dt
代入定积分,转化为二重积分:
∫01f(x)dx=∫01dx∫0xarcsin(t−1)2dt
积分区域为:D={(x,t)∣0≤t≤x≤1}:

交换积分次序(化为先对 x 积分,后对 t 积分):
∫01dt∫t1arcsin(t−1)2dx=∫01(1−t)arcsin(t−1)2dt
与前两种方法完全一致。
最终数值积分计算
令 u=(x−1)2,则 du=−2(1−x)dx⟹(1−x)dx=21du:
∫01(1−x)arcsin(x−1)2dx=21∫01arcsinudu=21[uarcsinu∣01−∫011−u2udu]=21[2π−[−1−u2]01]=21[2π−(0−(−1))]=4π−21
三、 2016 数二压轴综合好题深度研读
【解析】
由题意,在 (0,23π) 内 f′(x)=2x−3πcosx,且 f(0)=0。
所求平均值为:
fˉ=23π−01∫023πf(x)dx=3π2∫023πf(x)dx
(Ⅰ)求解平均值的两种方法
方法一:“雨露均沾”分部积分法(※ 极简秒杀)
将 dx 凑成 d(x−23π),使两个端点项同时归零,并让余项与分母约分:
∫023πf(x)dx=∫023πf(x)d(x−23π)=[(x−23π)f(x)]023π−∫023π(x−23π)f′(x)dx
- 边界项代入:0⋅f(23π)−(−23π)f(0)=0−0=0;
- 余项精准约分:注意到 x−23π=21(2x−3π),则:
−∫023π(x−23π)2x−3πcosxdx=−∫023π21(2x−3π)⋅2x−3πcosxdx=−21∫023πcosxdx=−21[sinx]023π=−21(−1−0)=21
代入平均值公式,得:
fˉ=3π2×21=3π1
方法二:变上限积分 + 二重积分交换次序(几何法)
因为 f(0)=0,故可将 f(x) 表为变上限积分:
f(x)=∫0x2t−3πcostdt
代入平均值表达式并交换积分次序:
fˉ=3π2∫023πdx∫0x2t−3πcostdt
积分区域 D={(x,t)0≤t≤x≤23π}:

交换次序(先积 x,后积 t):
fˉ=3π2∫023πdt∫t23π2t−3πcostdx=3π2∫023π(23π−t)2t−3πcostdt=3π2∫023π(−21)costdt=−3π1[sint]023π=3π1
(Ⅱ)零点存在且唯一的严格证明
1. 单调性与极值分析
导函数为 f′(x)=2x−3πcosx。
在区间 (0,23π) 内,分母 2x−3π<0 恒成立:
- 当 x∈(0,2π) 时,cosx>0⟹f′(x)<0,f(x) 在 [0,2π] 上严格单调递减;
- 当 x=2π 时,f′(2π)=0;
- 当 x∈(2π,23π) 时,cosx<0⟹f′(x)>0,f(x) 在 [2π,23π] 上严格单调递增。
2. 前半段 (0,2π] 内无零点
因为 f(0)=0 且 f(x) 在 [0,2π] 上严格递减,所以:
∀x∈(0,2π],f(x)<f(0)=0
特别地,在极小值点处有 f(2π)<0。
因此 f(x) 在区间 (0,2π] 内不存在零点。

3. 后半段 (2π,23π) 内存在唯一零点
-
存在性证明(思路一:积分中值定理):
由(Ⅰ)知 f(x) 在 [0,23π] 上的平均值为 fˉ=3π1>0。
由积分中值定理,必存在 ξ∈(0,23π) 使得:
f(ξ)=fˉ=3π1>0
由于在 (0,2π] 上恒有 f(x)<0,故该点必落在后半段:ξ∈(2π,23π)。
又因 f(x) 在 [2π,ξ] 上连续,且 f(2π)<0<f(ξ),
由零点存在定理,必存在 x0∈(2π,ξ)⊂(2π,23π),使得 f(x0)=0。
-
存在性证明(思路二:反证法 + 积分保号性):
由(Ⅰ)知 ∫023πf(x)dx=23π⋅fˉ=21>0。
若假设 f(23π)≤0,因 f(x) 在 [2π,23π] 上严格单调递增,则在该区间内部恒有 f(x)<f(23π)≤0。
结合前半段,可知 f(x) 在 (0,23π) 内恒为负值,由定积分保号性必有 ∫023πf(x)dx<0,这与定积分等于 21>0 矛盾。
故假设不成立,必有 f(23π)>0,再由零点存在定理即得零点存在。
-
唯一性:
因为 f(x) 在 [2π,23π] 上严格单调递增,所以在该区间内至多只有 1 个零点。
综上所述,f(x) 在区间 (0,23π) 内存在唯一零点。证毕。
易错点
- 套求导公式前必须先查连续性。f 在积分限对应点处不连续时公式失效,只能回到导数定义式;否则会把”不可导”误判为可导。
- 不要默认变上限积分是原函数。只有 f 连续时才有 F′=f 恒成立;f 有可去间断点时 F′(x0)=limf(x)=f(x0)。
- 可导性看的是 f 的间断类型,不是 F 自身。F 永远连续,不要把”f 有间断点”直接等同于”F 有间断点”。
- 分段函数求 F(x) 的表达式要累加前面所有区间,不能只积最后一段。
- 不定积分改写成变上限积分时,两个表达式必须取同一个下限,否则常数不统一,作差消不掉。
- 平移微分法只在端点项确实为零时使用,否则会把零项换成非零项。
- 注意”可积”与”存在原函数”是两个独立命题,判断时先看有没有界、再看有没有第一类间断点。
我的总结
我把这一节的核心线索记成一句话:“连续性靠可积,可导性看间断类型,转化靠连续。”
- 做题时先定位问题类型:要判 F 的性质(连续/可导/零点/单调),先写 F′(x)=f(x);要判 f 的性质(可积/有无原函数),先看 f 的间断类型与有界性。
- 抽象函数综合题(微分方程、积分方程、证明题)一出现不带积分限的不定积分,我就把它改成 ∫ax,理由是常数唯一化 + 可求导。这一步我验证过多次,是 2018 数一那类题的破题点。
- 分部积分出现端点零项浪费时,把 dx 换成 d(x−a) 是个低成本的化简动作,但前提是已知该端点函数值,我会先检查再动。
- 需要提醒自己的是:可导性对照表的三行结论容易记混,我用”连续 → 可导且等于函数值;可去 → 可导但等于极限值;跳跃 → 不可导”来区分,并把推导过程(改一点 + 积分中值定理)一起记住,避免只背结论。
参考资料
- 考研数学历年真题(年份与卷种随题标注:2009 数一/数二/数三、2013 数二、2016 数二、2018 数一)
- 常见考研数学教材与辅导资料;其中例 3.77 取自习称《基础三十讲》的辅导讲义(例 8.13),例 3.79 取自武忠祥高数辅导讲义(例 11)
- 本人课程学习笔记;本节”被积函数出现导数时优先考虑分部积分”的判据、以及”平移微分法”(课程讲义中通俗称为”雨露均沾”)的提法与做法,参考自某考研数学课程讲义
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