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3.3 变(上)限积分

7.9k WORDS 32 MIN READ #考研数学

3.3 变(上)限积分

核心结论

把定积分 abf(t)dt\int_a^b f(t)\,\mathrm{d}t 的上限 bb 换成变量 xx,得到的

F(x)=axf(t)dtF(x)=\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t

是一个关于 xx函数xx 每取一个值,就对应一块位置确定、大小随 xx 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:

  1. 求导公式(前提:被积函数 ff 连续,上下限 ϕ(x),φ(x)\phi(x),\varphi(x) 可导) Φ(x)=ddxϕ(x)φ(x)f(t)dt=f[φ(x)]φ(x)f[ϕ(x)]ϕ(x)\Phi'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_{\phi(x)}^{\varphi(x)} f(t)\,\mathrm{d}t = f[\varphi(x)]\varphi'(x) - f[\phi(x)]\phi'(x) “连续”不能用”可积”顶替:若 ff 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)。
  2. 连续性ff[a,b][a,b] 上可积     F(x)=axf(t)dt\implies F(x)=\displaystyle\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t[a,b][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。
  3. 可导性:若 ff 只在 x0x_0 处可能间断、其余点连续,则 FFx0x_0必连续;可导与否完全由 ffx0x_0 处的间断类型决定——连续或可去 \to 可导,跳跃 \to 连续但不可导。
  4. 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=fF'=f(连续必存在,有第一类间断点必不存在)。
  5. 转化法则ff 连续时,axf(t)dt\displaystyle\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t 就是 ff 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)dtF(x) = \displaystyle\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t 等于 00xx 区间内 f(t)f(t)tt 轴围成的图形的代数面积——tt 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 ff 的图象、选 FF 的图象”型选择题都从这三条入手:

  1. 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。
  2. 上下限变号的依据:当 xx 落在下限左侧时,0xf(t)dt=x0f(t)dt\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t = -\int_x^0 f(t)\,\mathrm{d}t,符号与”正常方向积分”相反。这是判断 FF 在局部区间正负的最快工具。
  3. 单调性依据F(x)=f(x)F'(x)=f(x),故 ff 的符号直接决定 FF 的增减、ff 的零点对应 FF 的水平切线。

💡 【CHOICE】 例 3.75|2009 数一、数二、数三真题

设函数 y=f(x)y=f(x) 在区间 [1,3][-1, 3] 上的图形如图所示,则函数 F(x)=0xf(t)dtF(x)=\displaystyle\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t 的图形为( )。

3.3_01_例3.75_变上限积分图像判定.png

【解析】

依次用上面三条依据排除选项:

  1. 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=2x=2 处出现竖直断裂,直接排除。
  2. 用变号依据排除 A、C:考查 x(1,0)x \in (-1, 0)。此时上限 xx 小于下限 00,先颠倒上下限: F(x)=0xf(t)dt=x0f(t)dtF(x) = \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t = -\int_x^0 f(t)\,\mathrm{d}t 由题图,在 [1,0][-1,0]f(t)>0f(t)>0(图象在 tt 轴上方),故按正常方向积分 x0f(t)dt>0\int_x^0 f(t)\,\mathrm{d}t>0,添上负号后 F(x)=x0f(t)dt<0(x(1,0))\therefore F(x) = -\int_x^0 f(t)\,\mathrm{d}t < 0 \quad (x \in (-1, 0)) 也就是说这一段 FF 必须在 xx 轴下方,而选项 A、C 在 (1,0)(-1,0)F(x)>0F(x)>0,排除。
  3. 用单调性依据验证 DF(x)=f(x)F'(x)=f(x),所以 f(x)<0f(x)<0(0,1)(0,1)     F\implies F 递减;f(x)>0f(x)>0(1,2)(1,2)     F\implies F 递增;f(x)=0f(x)=0(2,3)(2,3)     F\implies 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)\Phi'(x)=f[\varphi(x)]\varphi'(x)-f[\phi(x)]\phi'(x) 的前提是 ff 连续。一旦 ffx0x_0 处不连续,就不能再套公式,只能回到导数定义式

F(x0)=limxx0F(x)F(x0)xx0=limxx0axf(t)dtax0f(t)dtxx0=limxx0x0xf(t)dtxx0F'(x_0) = \lim_{x\to x_0}\frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} = \lim_{x\to x_0}\frac{\displaystyle\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t - \int_a^{x_0} f(t)\,\mathrm{d}t}{x - x_0} = \lim_{x\to x_0}\frac{\displaystyle\int_{x_0}^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x - x_0}

由于 FF 连续,分子分母都趋于 00,这是"00\frac{0}{0}"型。处理办法:单独改变 ffx0x_0 一点的值不影响积分值,故可把 f(x0)f(x_0) 替换为 limxx0f(x)\lim_{x\to x_0}f(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)=limxx0x0xf(t)dtxx0=limxx0f(x)F'(x_0) = \lim_{x\to x_0}\frac{\displaystyle\int_{x_0}^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x - x_0} = \lim_{x\to x_0} f(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 ffx0x_0 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 limxx0f(x)\displaystyle\lim_{x\to x_0} f(x) 存在,故 F(x0)F'(x_0) 必定存在,且 F(x0)=limxx0f(x)F'(x_0) = \displaystyle\lim_{x\to x_0} f(x)
  • 跳跃/震荡间断点:极限 limxx0f(x)\displaystyle\lim_{x\to x_0} f(x) 不存在,故 F(x0)F'(x_0) 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,0x<π,2,πx2π,F(x)=0xf(t)dtf(x) = \begin{cases} \sin x, & 0 \le x < \pi, \\ 2, & \pi \le x \le 2\pi, \end{cases} \quad F(x) = \displaystyle\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t,则( )。

A. x=πx=\pi 是函数 F(x)F(x) 的跳跃间断点

B. x=πx=\pi 是函数 F(x)F(x) 的可去间断点

C. F(x)F(x)x=πx=\pi 处连续但不可导

D. F(x)F(x)x=πx=\pi 处可导

【解析】

思路一:直接对照可导性对照表

  1. 变上限积分保连续,F(x)F(x) 在定义域上处处连续,一切”间断点”选项(A、B)都不成立;
  2. 再看 ffx=πx=\pi 处的左右极限: limxπf(x)=sinπ=0,limxπ+f(x)=2\lim_{x\to \pi^-} f(x) = \sin \pi = 0, \qquad \lim_{x\to \pi^+} f(x) = 2 左右极限都存在但不相等,故 x=πx=\piff跳跃间断点
  3. 对照表中第 (3) 行:被积函数为跳跃间断点     F\implies 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)=limxcF(x)F(c)xc=limxcxcf(t)dtxc=洛必达limxcf(x)=f(c)=0F'_-(c) = \lim_{x\to c^-}\frac{F(x)-F(c)}{x-c} = \lim_{x\to c^-}\frac{-\displaystyle\int_x^c f(t)\,\mathrm{d}t}{x-c} \overset{\text{洛必达}}{=} \lim_{x\to c^-} f(x) = f(c^-) = 0
  • 右导数: F+(c)=limxc+F(x)F(c)xc=limxc+cxf(t)dtxc=洛必达limxc+f(x)=f(c+)=2F'_+(c) = \lim_{x\to c^+}\frac{F(x)-F(c)}{x-c} = \lim_{x\to c^+}\frac{\displaystyle\int_c^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x-c} \overset{\text{洛必达}}{=} \lim_{x\to c^+} f(x) = f(c^+) = 2
  • F(c)F+(c)F'_-(c) \ne F'_+(c),故 FFx=πx=\pi 处不可导。

💡 【CHOICE】 例 3.77|基础三十讲 例 8.13

f(x)={ex2+x2,x0,a,x=0,f(x) = \begin{cases} \mathrm{e}^{x^2} + x^2, & x \ne 0, \\ a, & x = 0, \end{cases} 其中 aa 为常数,令 F(x)=1xf(t)dtF(x) = \displaystyle\int_{-1}^x f(t)\,\mathrm{d}t,则以下命题:
① 当 a=1a=1 时,F(x)F(x)x=0x=0 处可导;
② 当 a1a\ne 1 时,F(x)F(x)x=0x=0 处可导;
③ 当 a=1a=1 时,F(x)F(x)x=0x=0 处不可导;
④ 当 a1a\ne 1 时,F(x)F(x)x=0x=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 ffx=0x=0 处的极限: limx0f(x)=limx0(ex2+x2)=e0+0=1\lim_{x\to 0} f(x) = \lim_{x\to 0} (\mathrm{e}^{x^2} + x^2) = \mathrm{e}^0 + 0 = 1

  • a=1a=1 时:f(0)=1=limx0f(x)f(0) = 1 = \lim_{x\to 0} f(x)ffx=0x=0 处连续,FFx=0x=0 处可导且 F(0)=f(0)=1F'(0) = f(0) = 1(命题 ① 正确);
  • a1a\ne 1 时:f(0)=alimx0f(x)f(0) = a \ne \lim_{x\to 0} f(x)x=0x=0ff 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)=limx01x(et2+t2)dt10(et2+t2)dtx0=洛必达limx0(ex2+x2)=1F'(0) = \lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle\int_{-1}^x (\mathrm{e}^{t^2}+t^2)\,\mathrm{d}t - \int_{-1}^0 (\mathrm{e}^{t^2}+t^2)\,\mathrm{d}t}{x-0} \overset{\text{洛必达}}{=} \lim_{x\to 0}(\mathrm{e}^{x^2}+x^2) = 1aa 取何值都不影响结果,F(0)F'(0) 恒存在且等于 11(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=fF'=f 处处成立,则 FF 可导从而连续,且由达布定理 ff 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

  1. 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)。
  2. 原函数存在性的分类判决法则
    • 连续     \implies 必定存在原函数;
    • 有第一类间断点或无穷间断点     \implies 必定不存在原函数;
    • 只有震荡间断点     \implies 可能存在原函数。
  3. 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][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。
  4. 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\displaystyle\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t 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+C
  5. 关键的交叉点
    • 当被积函数 f(x)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\displaystyle\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t 就是 f(x)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=e1dx(xe1dxdx+C)=ex(xexdx+C)=ex((x1)ex+C)=x1+Cexy = \mathrm{e}^{-\int 1\,\mathrm{d}x}\left(\int x\mathrm{e}^{\int 1\,\mathrm{d}x}\,\mathrm{d}x + C\right) = \mathrm{e}^{-x}\left(\int x\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x + C\right) = \mathrm{e}^{-x}\left((x-1)\mathrm{e}^x + C\right) = x - 1 + C\mathrm{e}^{-x} 其中 CC 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)=ex[f(x)exdx+C1],y(x+T)=e(x+T)[f(x+T)ex+Td(x+T)+C2]y(x) = \mathrm{e}^{-x}\left[\int f(x)\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x + C_1\right], \qquad y(x+T) = \mathrm{e}^{-(x+T)}\left[\int f(x+T)\mathrm{e}^{x+T}\,\mathrm{d}(x+T) + C_2\right] 则两个不定积分各自带一个互无关系的常数 C1,C2C_1,C_2,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)=ex[0xf(t)etdt+C]y(x) = \mathrm{e}^{-x}\left[\int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + C\right] y(x+T)=e(x+T)[0x+Tf(t)etdt+C]y(x+T) = \mathrm{e}^{-(x+T)}\left[\int_0^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + C\right] (⚠️ 写成变上限积分后,任意常数统一为一个唯一的 CC

将周期性条件 y(x+T)y(x)=0y(x+T) - y(x) = 0 展开: exT0x+Tf(t)etdt+CexTex0xf(t)etdtCex=0\mathrm{e}^{-x-T}\int_0^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + C\mathrm{e}^{-x-T} - \mathrm{e}^{-x}\int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t - C\mathrm{e}^{-x} = 0 两边同乘 ex\mathrm{e}^xeT0x+Tf(t)etdt0xf(t)etdt+C(eT1)=0\mathrm{e}^{-T}\int_0^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t - \int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + C(\mathrm{e}^{-T} - 1) = 0 解出常数 CCC=11eT[eT0x+Tf(t)etdt0xf(t)etdt]C = \frac{1}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\left[\mathrm{e}^{-T}\int_0^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t - \int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t\right]

方括号内两个积分的上限都含 xx接下来要解决的问题就是:如何说明 CCxx 无关?

方法一:拆分区间换元法(硬核解出 CC 的具体常数值)

拆分左边积分区间为 [0,T][0, T][T,x+T][T, x+T]0x+Tf(t)etdt=0Tf(t)etdt+Tx+Tf(t)etdt\int_0^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t = \int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + \int_T^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t 其中 0Tf(t)etdt\displaystyle\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t 显然是常数。对第二项进行区间平移换元,令 u=tTu = t - T(则 t=u+T,dt=dut = u + T, \mathrm{d}t = \mathrm{d}u): Tx+Tf(t)etdt=0xf(u+T)eu+Tdu=f(u+T)=f(u)eT0xf(u)eudu=eT0xf(t)etdt\int_T^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t = \int_0^x f(u+T)\mathrm{e}^{u+T}\,\mathrm{d}u \overset{f(u+T)=f(u)}{=} \mathrm{e}^T\int_0^x f(u)\mathrm{e}^u\,\mathrm{d}u = \mathrm{e}^T\int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t 将此拆分结果代回 CC 的表达式中:

C=11eT[eT(0Tf(t)etdt+eT0xf(t)etdt)0xf(t)etdt]=11eT[eT0Tf(t)etdt+0xf(t)etdt0xf(t)etdt=0 精确抵消!]=eT1eT0Tf(t)etdt=1eT10Tf(t)etdt(常数!!!)\begin{aligned} C &= \frac{1}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\left[\mathrm{e}^{-T}\left(\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + \mathrm{e}^T\int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t\right) - \int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t\right] \\ &= \frac{1}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\left[\mathrm{e}^{-T}\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t + \underbrace{\int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t - \int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t}_{=0\text{ 精确抵消!}}\right] \\ &= \frac{\mathrm{e}^{-T}}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t \\ &= \frac{1}{\mathrm{e}^T - 1}\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t \quad (\text{常数!!!}) \end{aligned}

解出的 CC 不含 xx,是一个唯一确定的实常数,因此方程存在唯一的以 TT 为周期的解!

方法二:导数法证明与 xx 无关(直接证导数为 0)

设辅助函数: g(x)=11eT[eT0x+Tf(t)etdt0xf(t)etdt]g(x) = \frac{1}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\left[\mathrm{e}^{-T}\int_0^{x+T} f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t - \int_0^x f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t\right]xx 求导(利用变上限积分求导法则): g(x)=11eT[eTf(x+T)ex+T(x+T)f(x)ex]g'(x) = \frac{1}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\left[\mathrm{e}^{-T}\cdot f(x+T)\mathrm{e}^{x+T}\cdot (x+T)' - f(x)\mathrm{e}^x\right] 由于 f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x),方括号内整理为: eTf(x)exeTf(x)ex=f(x)exf(x)ex0\mathrm{e}^{-T}\cdot f(x)\mathrm{e}^x \cdot \mathrm{e}^T - f(x)\mathrm{e}^x = f(x)\mathrm{e}^x - f(x)\mathrm{e}^x \equiv 0g(x)0g'(x) \equiv 0,说明 g(x)g(x) 恒为常数!若要求该常数具体值,直接令 x=0x=0C=g(0)=11eT[eT0Tf(t)etdt0]=1eT10Tf(t)etdtC = g(0) = \frac{1}{1 - \mathrm{e}^{-T}}\left[\mathrm{e}^{-T}\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t - 0\right] = \frac{1}{\mathrm{e}^T - 1}\int_0^T f(t)\mathrm{e}^t\,\mathrm{d}t 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 xx 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】

  1. 用区间代换化简卷积型变限积分: 在积分 0xf(xt)dt\displaystyle\int_0^x f(x-t)\,\mathrm{d}t 中令 u=xtu = x - t,则 t=0u=xt = 0 \to u = xt=xu=0t = x \to u = 0dt=du\mathrm{d}t = -\mathrm{d}u0xf(xt)dt=x0f(u)(du)=0xf(u)du\int_0^x f(x-t)\,\mathrm{d}t = \int_x^0 f(u)\,(-\mathrm{d}u) = \int_0^x f(u)\,\mathrm{d}u 原积分方程化为: f(x)0xf(u)du=sin4xf(x)\int_0^x f(u)\,\mathrm{d}u = \sin^4 x (这一步的作用:把含 xtx-t 的”卷积型”上限化为普通变上限积分,方便识别导数结构。)
  2. 识别导数复合结构: 设 Y(x)=0xf(u)duY(x) = \displaystyle\int_0^x f(u)\,\mathrm{d}u,则 Y(x)=f(x)Y'(x) = f(x)ff 连续,可直接用求导公式),且 Y(0)=0Y(0) = 0。方程即为: Y(x)Y(x)=sin4x    12[Y2(x)]=sin4xY'(x)Y(x) = \sin^4 x \iff \frac{1}{2}\left[Y^2(x)\right]' = \sin^4 x
  3. 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\int \sin^4 x\,\mathrm{d}x,需要两次二倍角展开降幂,过程冗长;而从 00xx 取变上限积分,既自动满足初值条件 Y(0)=0Y(0)=0,又省去常数讨论: [Y2(x)]=20xsin4tdt\left[Y^2(x)\right] = 2\int_0^x \sin^4 t\,\mathrm{d}t

  4. 代入端点并应用 Wallis(点火)公式: 令 x=π2x = \frac{\pi}{2}Y2(π2)=20π/2sin4tdt=2(3412π2)=3π8Y^2\left(\frac{\pi}{2}\right) = 2\int_0^{\pi/2}\sin^4 t\,\mathrm{d}t = 2 \cdot \left(\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{2}\right) = \frac{3\pi}{8} 因为 f(x)0f(x) \ge 0,故 Y(π2)=0π/2f(u)du=3π8Y\left(\frac{\pi}{2}\right) = \displaystyle\int_0^{\pi/2}f(u)\,\mathrm{d}u = \sqrt{\frac{3\pi}{8}}
  5. 计算函数平均值fˉ=0π/2f(x)dxπ2=3π8π2=3π82π=32π=6π2π\bar{f} = \frac{\displaystyle\int_0^{\pi/2}f(x)\,\mathrm{d}x}{\frac{\pi}{2}} = \frac{\sqrt{\frac{3\pi}{8}}}{\frac{\pi}{2}} = \sqrt{\frac{3\pi}{8}}\cdot\frac{2}{\pi} = \sqrt{\frac{3}{2\pi}} = \frac{\sqrt{6\pi}}{2\pi}

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)0101xarcsin(x1)2dx=f(1)01xarcsin(x1)2dx\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \left.xf(x)\right|_0^1 - \int_0^1 x\arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x = f(1) - \int_0^1 x\arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x 因为 f(0)=0f(0)=0,所以 f(1)=f(1)f(0)=01f(x)dx=01arcsin(x1)2dxf(1) = f(1) - f(0) = \displaystyle\int_0^1 f'(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x。将其带入统一形式: 01f(x)dx=01arcsin(x1)2dx01xarcsin(x1)2dx=01(1x)arcsin(x1)2dx\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x - \int_0^1 x\arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x = \int_0^1 (1-x)\arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x

方法二:“雨露均沾”分部积分法(※※ 秒杀)

直接将 dx\mathrm{d}x 凑成 d(x1)\mathrm{d}(x-1)

01f(x)dx=01f(x)d(x1)=(x1)f(x)00=00101(x1)f(x)dx=01(1x)arcsin(x1)2dx\begin{aligned} \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x &= \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}(x-1) \\ &= \left.\underbrace{(x-1)f(x)}_{0-0=0}\right|_0^1 - \int_0^1 (x-1)f'(x)\,\mathrm{d}x \\ &= \int_0^1 (1-x)\arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x \end{aligned}

边界项一步消零,省去方法一中”先算 f(1)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)=0f(0)=0,故可将函数写成变上限积分: f(x)=0xf(t)dt=0xarcsin(t1)2dtf(x) = \int_0^x f'(t)\,\mathrm{d}t = \int_0^x \arcsin(t-1)^2\,\mathrm{d}t 代入定积分,转化为二重积分: 01f(x)dx=01dx0xarcsin(t1)2dt\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^1 \mathrm{d}x \int_0^x \arcsin(t-1)^2\,\mathrm{d}t 积分区域为:D={(x,t)0tx1}D = \{(x, t) \mid 0 \le t \le x \le 1\}

3.3_02_例3.79_二重积分交换次序区域.png

交换积分次序(化为先对 xx 积分,后对 tt 积分): 01dtt1arcsin(t1)2dx=01(1t)arcsin(t1)2dt\int_0^1 \mathrm{d}t \int_t^1 \arcsin(t-1)^2\,\mathrm{d}x = \int_0^1 (1-t)\arcsin(t-1)^2\,\mathrm{d}t 与前两种方法完全一致。

最终数值积分计算

u=(x1)2u = (x-1)^2,则 du=2(1x)dx    (1x)dx=12du\mathrm{d}u = -2(1-x)\,\mathrm{d}x \implies (1-x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\mathrm{d}u

01(1x)arcsin(x1)2dx=1201arcsinudu=12[uarcsinu0101u1u2du]=12[π2[1u2]01]=12[π2(0(1))]=π412\begin{aligned} \int_0^1 (1-x)\arcsin(x-1)^2\,\mathrm{d}x &= \frac{1}{2}\int_0^1 \arcsin u\,\mathrm{d}u \\ &= \frac{1}{2}\left[\left.u\arcsin u\right|_0^1 - \int_0^1 \frac{u}{\sqrt{1-u^2}}\,\mathrm{d}u\right] \\ &= \frac{1}{2}\left[\frac{\pi}{2} - \left[-\sqrt{1-u^2}\right]_0^1\right] \\ &= \frac{1}{2}\left[\frac{\pi}{2} - (0 - (-1))\right] \\ &= \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2} \end{aligned}

三、 2016 数二压轴综合好题深度研读

【解析】

由题意,在 (0,3π2)\left(0, \frac{3\pi}{2}\right)f(x)=cosx2x3πf'(x) = \dfrac{\cos x}{2x-3\pi},且 f(0)=0f(0)=0
所求平均值为:

fˉ=13π2003π2f(x)dx=23π03π2f(x)dx\bar{f} = \frac{1}{\frac{3\pi}{2} - 0} \int_0^{\frac{3\pi}{2}} f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{2}{3\pi} \int_0^{\frac{3\pi}{2}} f(x)\,\mathrm{d}x

(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)

dx\mathrm{d}x 凑成 d(x3π2)\mathrm{d}\left(x - \frac{3\pi}{2}\right),使两个端点项同时归零,并让余项与分母约分:

03π2f(x)dx=03π2f(x)d(x3π2)=[(x3π2)f(x)]03π203π2(x3π2)f(x)dx\begin{aligned} \int_0^{\frac{3\pi}{2}} f(x)\,\mathrm{d}x &= \int_0^{\frac{3\pi}{2}} f(x)\,\mathrm{d}\left(x - \frac{3\pi}{2}\right) \\ &= \left[ \left(x - \frac{3\pi}{2}\right)f(x) \right]_0^{\frac{3\pi}{2}} - \int_0^{\frac{3\pi}{2}} \left(x - \frac{3\pi}{2}\right)f'(x)\,\mathrm{d}x \end{aligned}
  • 边界项代入0f(3π2)(3π2)f(0)=00=00 \cdot f\left(\frac{3\pi}{2}\right) - \left(-\frac{3\pi}{2}\right)f(0) = 0 - 0 = 0
  • 余项精准约分:注意到 x3π2=12(2x3π)x - \frac{3\pi}{2} = \frac{1}{2}(2x - 3\pi),则:
03π2(x3π2)cosx2x3πdx=03π212(2x3π)cosx2x3πdx=1203π2cosxdx=12[sinx]03π2=12(10)=12\begin{aligned} - \int_0^{\frac{3\pi}{2}} \left(x - \frac{3\pi}{2}\right) \frac{\cos x}{2x - 3\pi}\,\mathrm{d}x &= - \int_0^{\frac{3\pi}{2}} \frac{1}{2}(2x - 3\pi) \cdot \frac{\cos x}{2x - 3\pi}\,\mathrm{d}x \\ &= -\frac{1}{2} \int_0^{\frac{3\pi}{2}} \cos x\,\mathrm{d}x = -\frac{1}{2}\big[\sin x\big]_0^{\frac{3\pi}{2}} \\ &= -\frac{1}{2}(-1 - 0) = \frac{1}{2} \end{aligned}

代入平均值公式,得:

fˉ=23π×12=13π\bar{f} = \frac{2}{3\pi} \times \frac{1}{2} = \frac{1}{3\pi}
方法二:变上限积分 + 二重积分交换次序(几何法)

因为 f(0)=0f(0)=0,故可将 f(x)f(x) 表为变上限积分:

f(x)=0xcost2t3πdtf(x) = \int_0^x \frac{\cos t}{2t-3\pi}\,\mathrm{d}t

代入平均值表达式并交换积分次序:

fˉ=23π03π2dx0xcost2t3πdt\bar{f} = \frac{2}{3\pi} \int_0^{\frac{3\pi}{2}}\mathrm{d}x \int_0^x \frac{\cos t}{2t-3\pi}\,\mathrm{d}t

积分区域 D={(x,t)  |  0tx3π2}D = \left\{(x, t) \;\middle|\; 0 \le t \le x \le \frac{3\pi}{2}\right\}

3.3_03_例3.80_二重积分积分区域D.png

交换次序(先积 xx,后积 tt):

fˉ=23π03π2dtt3π2cost2t3πdx=23π03π2(3π2t)cost2t3πdt=23π03π2(12)costdt=13π[sint]03π2=13π\begin{aligned} \bar{f} &= \frac{2}{3\pi}\int_0^{\frac{3\pi}{2}}\mathrm{d}t \int_t^{\frac{3\pi}{2}}\frac{\cos t}{2t-3\pi}\,\mathrm{d}x \\ &= \frac{2}{3\pi}\int_0^{\frac{3\pi}{2}} \left(\frac{3\pi}{2}-t\right)\frac{\cos t}{2t-3\pi}\,\mathrm{d}t \\ &= \frac{2}{3\pi}\int_0^{\frac{3\pi}{2}} \left(-\frac{1}{2}\right)\cos t\,\mathrm{d}t = -\frac{1}{3\pi}[\sin t]_0^{\frac{3\pi}{2}} = \frac{1}{3\pi} \end{aligned}

(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)=cosx2x3πf'(x) = \dfrac{\cos x}{2x-3\pi}
在区间 (0,3π2)\left(0, \frac{3\pi}{2}\right) 内,分母 2x3π<02x - 3\pi < 0 恒成立:

  • x(0,π2)x \in \left(0, \frac{\pi}{2}\right) 时,cosx>0    f(x)<0\cos x > 0 \implies f'(x) < 0f(x)f(x)[0,π2]\left[0, \frac{\pi}{2}\right]严格单调递减
  • x=π2x = \frac{\pi}{2} 时,f(π2)=0f'\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0
  • x(π2,3π2)x \in \left(\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right) 时,cosx<0    f(x)>0\cos x < 0 \implies f'(x) > 0f(x)f(x)[π2,3π2]\left[\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right]严格单调递增

2. 前半段 (0,π2]\left(0, \frac{\pi}{2}\right] 内无零点
因为 f(0)=0f(0) = 0f(x)f(x)[0,π2]\left[0, \frac{\pi}{2}\right] 上严格递减,所以:

x(0,π2],f(x)<f(0)=0\forall x \in \left(0, \frac{\pi}{2}\right], \quad f(x) < f(0) = 0

特别地,在极小值点处有 f(π2)<0f\left(\frac{\pi}{2}\right) < 0
因此 f(x)f(x) 在区间 (0,π2]\left(0, \frac{\pi}{2}\right]不存在零点

3.3_04_例3.80_单调性与零点分析草图.png

3. 后半段 (π2,3π2)\left(\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right) 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)f(x)[0,3π2]\left[0, \frac{3\pi}{2}\right] 上的平均值为 fˉ=13π>0\bar{f} = \frac{1}{3\pi} > 0
    积分中值定理,必存在 ξ(0,3π2)\xi \in \left(0, \frac{3\pi}{2}\right) 使得:

    f(ξ)=fˉ=13π>0f(\xi) = \bar{f} = \frac{1}{3\pi} > 0

    由于在 (0,π2]\left(0, \frac{\pi}{2}\right] 上恒有 f(x)<0f(x) < 0,故该点必落在后半段:ξ(π2,3π2)\xi \in \left(\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right)
    又因 f(x)f(x)[π2,ξ]\left[\frac{\pi}{2}, \xi\right] 上连续,且 f(π2)<0<f(ξ)f\left(\frac{\pi}{2}\right) < 0 < f(\xi)
    零点存在定理,必存在 x0(π2,ξ)(π2,3π2)x_0 \in \left(\frac{\pi}{2}, \xi\right) \subset \left(\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right),使得 f(x0)=0f(x_0) = 0

  • 存在性证明(思路二:反证法 + 积分保号性)
    由(Ⅰ)知 03π2f(x)dx=3π2fˉ=12>0\displaystyle\int_0^{\frac{3\pi}{2}} f(x)\,\mathrm{d}x = \frac{3\pi}{2} \cdot \bar{f} = \frac{1}{2} > 0
    若假设 f(3π2)0f\left(\frac{3\pi}{2}\right) \le 0,因 f(x)f(x)[π2,3π2]\left[\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right] 上严格单调递增,则在该区间内部恒有 f(x)<f(3π2)0f(x) < f\left(\frac{3\pi}{2}\right) \le 0
    结合前半段,可知 f(x)f(x)(0,3π2)\left(0, \frac{3\pi}{2}\right) 内恒为负值,由定积分保号性必有 03π2f(x)dx<0\displaystyle\int_0^{\frac{3\pi}{2}} f(x)\,\mathrm{d}x < 0,这与定积分等于 12>0\frac{1}{2} > 0 矛盾。
    故假设不成立,必有 f(3π2)>0f\left(\frac{3\pi}{2}\right) > 0,再由零点存在定理即得零点存在。

  • 唯一性
    因为 f(x)f(x)[π2,3π2]\left[\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right]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)f(x) 在区间 (0,3π2)\left(0, \frac{3\pi}{2}\right)存在唯一零点。证毕。


易错点

  1. 套求导公式前必须先查连续性ff 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。
  2. 不要默认变上限积分是原函数。只有 ff 连续时才有 F=fF'=f 恒成立;ff 有可去间断点时 F(x0)=limf(x)f(x0)F'(x_0)=\lim f(x)\ne f(x_0)
  3. 可导性看的是 ff 的间断类型,不是 FF 自身FF 永远连续,不要把”ff 有间断点”直接等同于”FF 有间断点”。
  4. 分段函数求 F(x)F(x) 的表达式要累加前面所有区间,不能只积最后一段。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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 FF 的性质(连续/可导/零点/单调),先写 F(x)=f(x)F'(x)=f(x);要判 ff 的性质(可积/有无原函数),先看 ff 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\int_a^x,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\mathrm{d}x 换成 d(xa)\mathrm{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 \to 可导且等于函数值;可去 \to 可导但等于极限值;跳跃 \to 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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