微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 19 章

积分技巧(二)

处理三角幂、根式换元与递推积分,并形成选法顺序。

5 组核心追问3 组练习原书 pp. 409–430

先修:第 2、18 章:三角恒等式与换元

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录19.1 恒等式的使用19.2.1 正余弦幂积分19.2.2–19.2.6 正切、正割与递推19.3 三角换元与平方根19.4 积分方法总览
追问 01

19.1 恒等式的使用

根号里的 1cos2x1-\cos^2x 能直接开成 sinx\sin x 吗?

先看一个提示

平方根始终非负。

展开推理与讲解

先变成 sin2x=sinx\sqrt{\sin^2x}=\lvert\sin x\rvert,再按积分区间判符号。含 1±sinx1\pm\sin x1±cosx1\pm\cos x 等分母时,乘共轭可能引出平方恒等式。1cosx1-\cos x1cos2x1-\cos^2x 用的是不同恒等式,差一个平方也会改变方法。

sin2x=1cos2x2,cos2x=1+cos2x2\sin^2x=\frac{1-\cos2x}2,\quad\cos^2x=\frac{1+\cos2x}2
追问 02

19.2.1 正余弦幂积分

为什么奇数幂通常比偶数幂容易?

先看一个提示

留一个正弦或余弦因子,可以形成微分。

展开推理与讲解

若正弦幂为奇数,留 sinxdx\sin xdx,其余用 1cos2x1-\cos^2x,设 u=cosxu=\cos x;余弦幂奇数同理。两者均偶数时用半角降幂。适用的是非负整数幂的常用流程,负幂和分式可能需要先转换。

sin2k+1xcosmxdx=(1u2)kumdu\int\sin^{2k+1}x\cos^mx\,dx=-\int(1-u^2)^ku^mdu
追问 03

19.2.2–19.2.6 正切、正割与递推

积分中该保留 sec2x\sec^2x 还是 secxtanx\sec x\tan x

先看一个提示

看它们分别是谁的导数。

展开推理与讲解

正割偶次幂常留 sec2x\sec^2x 后令 u=tanxu=\tan x;正切奇次幂且有正割因子时可留 secxtanx\sec x\tan x,令 u=secxu=\sec x。只剩正切幂可用 tan2=sec21\tan^2=\sec^2-1 降次;余切、余割有类似路线但注意负号。递推公式通常由分部积分产生。

In=sinnxdx=sinn1xcosxn+n1nIn2(n2)I_n=\int\sin^nx\,dx=-\frac{\sin^{n-1}x\cos x}{n}+\frac{n-1}{n}I_{n-2}\quad(n\ge2)
追问 04

19.3 三角换元与平方根

三种二次根式为什么需要三种代换?

先看一个提示

分别对应 1sin21-\sin^21+tan21+\tan^2sec21\sec^2-1

展开推理与讲解

a2x2\sqrt{a^2-x^2}x=asinθx=a\sin\thetax2+a2\sqrt{x^2+a^2}x=atanθx=a\tan\thetax2a2\sqrt{x^2-a^2} 常取 x=asecθx=a\sec\theta,但必须按原定义域选择角区间与符号。二次式先配方再移变量。回代可用三角形,也可直接代数转换。

a2a2sin2θ=a2cos2θ,a2+a2tan2θ=a2sec2θa^2-a^2\sin^2\theta=a^2\cos^2\theta,\quad a^2+a^2\tan^2\theta=a^2\sec^2\theta
追问 05

19.4 积分方法总览

怎样避免对一道积分无目的地试公式?

先看一个提示

先观察结构,再做成本最低的化简。

展开推理与讲解

检查基本反导、常数因子与恒等式;寻找内函数导数;乘积考虑分部;有理式考虑除法及部分分式;二次根式考虑配方和三角换元。得到原函数后求导检查。某些连续函数没有初等原函数,此时定积分仍有意义,可用数值或级数估计。

结构识别化简积分求导核验\text{结构识别}\to\text{化简}\to\text{积分}\to\text{求导核验}

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · 19.1 · 原书 p. 411(PDF 第 436 页)↗

计算 0π1cos2xdx\int_0^\pi\sqrt{1-\cos^2x}\,dx

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

先用平方恒等式,再处理绝对值。

提示二 · 关键转折

[0,π][0,\pi] 上正弦非负。

参考解答 · 完成尝试后再展开

被积函数为 sinx=sinx\lvert\sin x\rvert=\sin x,积分 [cosx]0π=2[-\cos x]_0^\pi=2。如果区间改为 [0,2π][0,2\pi],应分段,答案会是 4 而不是 0。

练习 2 / 3

原书例题重述 · 19.3.1 · 原书 p. 423(PDF 第 448 页)↗

计算 x2/(9x2)3/2dx\int x^2/(9-x^2)^{3/2}\,dx,限定 3<x<3-3<x<3

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

x=3sinθx=3\sin\thetaπ/2<θ<π/2-\pi/2<\theta<\pi/2

提示二 · 关键转折

积分化为 tan2θdθ\int\tan^2\theta\,d\theta

参考解答 · 完成尝试后再展开

得到 tanθθ+C\tan\theta-\theta+C,回代为 x/9x2arcsin(x/3)+Cx/\sqrt{9-x^2}-\arcsin(x/3)+C。所选区间使 cosθ>0\cos\theta>0,因此开平方时没有遗漏绝对值符号。

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 19.2 · 本笔记编写

计算 sin3xcos2xdx\int\sin^3x\cos^2x\,dx

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

留一个正弦作微分。

提示二 · 关键转折

u=cosxu=\cos xdu=sinxdxdu=-\sin xdx

参考解答 · 完成尝试后再展开

积分为 (1u2)u2du=u3/3+u5/5+C-\int(1-u^2)u^2du=-u^3/3+u^5/5+C,即 cos3x/3+cos5x/5+C-\cos^3x/3+\cos^5x/5+C。求导可以核验负号。

学习闭环

过关自查

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