第一换元积分法(别称凑微分法)
eduction
设u=φ(x)在点x可导,F(u)在对应点u=φ(x)可导则F[φ(x)]在点x可导,设F[φ(x)]的导数为f[φ(x)],有如下:F′(u)=f(u)⇒∫f(u)dx=F′(u)+C,(式0.0.0)已知F(u)为复合函数,根据链式法则:F′(u)=F′(u)⋅(u)′=f(u)⋅(u)′⇒∫f(u)⋅(u)′⋅dx=F′(u)+C,(式1.1.1)∴(式0.0.0)=(式1.1.1)∵(u)′dx=du⇒∫f(u)du=F′(u)+C公式:∫f[φ(x)]⋅φ′(x)dx=∫f[φ(x)]d[φ(x)]=F′[φ(x)]+C(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)
Sample 0
∫secxdx=?∫secxdx⇒∫1cosxdx⇒∫cosxcos2xdx=∫11−sin2x⋅cosxdx设:cosxdx=dq=(q)′dx(q)′=(sinx)′=cosx∴cosxdx=dsinx⇒∫11−sin2xdsinx∵1−sin2x=(1−sinx)(1+sinx)11−sin2x⇒(1−sinx)+(1+sinx)2⋅(1−sinx)(1+sinx)⇒12∫(1−sinx)+(1+sinx)(1−sinx)(1+sinx)dsinx⇒12∫(11+sinx+11−sinx)dsinx12∫11+sinxdsinx+12∫11−sinxdsinx设:u=1+sinx,du=(1+sinx)′dxdu=0+cosxdx=(sinx)′dx∴(1+sinx)′dx=dsinx⇒12∫11+sinxd(1+sinx)=12ln|1+sinx|+C设:b=1−sinx,db=(1−sinx)′dxdb=0−cosxdx=−(sinx)′dx∴(1−sinx)′dx=−dsinx⇒12∫11−sinx⋅−1⋅d(1−sinx)=−12ln|1−sinx|+C综合:⇒12ln|1+sinx|−12ln|1−sinx|+C⇒12ln∣∣∣1+sinx1−sinx∣∣∣+C⇒ln∣∣
∣∣(1+sinx1−sinx)12∣∣
∣∣=ln∣∣∣√1+sinx√1−sinx∣∣∣分子分母同乘以√1+sinx:∣∣
∣∣√(1+sinx)(1+sinx)√1−sinx)(1+sinx)∣∣
∣∣=ln∣∣
∣∣√(1+sinx)2√1+sinx−sinx−sin2x∣∣
∣∣=ln∣∣
∣∣1+sinx√1−sin2x∣∣
∣∣=ln∣∣∣1+sinx√cos2x∣∣∣=ln∣∣∣1+sinxcosx∣∣∣=ln∣∣∣1cosx+sinxcosx∣∣∣=ln|secx+tanx|+C(20)(21)(22)(23)(24)(25)(26)(27)(28)(29)(30)(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)(39)(40)(41)(42)(43)(44)(45)(46)(47)(48)(49)(50)(51)(52)(53)(54)(55)(56)(57)(58)(59)(60)(61)(62)(63)(64)(65)(66)(67)(68)(69)(70)(71)(72)(73)(74)(75)(76)(77)(78)
example 0
已知:∫f(x)dx=x2+C∫xf(1−x2)dx=?⇒∫f(1−x2)⋅xdx⇒∫f(1−x2)⋅−12(−2xdx)∵−2x=[F(x)+C]′∴−2x=(1−x2)′,−2xdx=d(1−x2)⇒−12∫f(1−x2)⋅d(1−x2)∵(1−x2)⇔x∴−12∫f(1−x2)⋅d(1−x2)=−12(1−x2)2+C(79)(80)(81)(82)(83)(84)(85)(86)(87)(88)(89)(90)(91)(92)(93)(94)(95)
example 1
∫1a2+x2dx=?∫1a2(1+x2a2)dx=∫1a2⋅11+(xa)2dx,设:u=xa,令u取代x,成为新的积分变量=∫1a2⋅11+u2⋅d(xa)du=d(xa)=(xa)′dx,du=1adx⇒adu=dx∫1a2⋅11+u2⋅adu⇒∫1a11+u2du据公式:∫11+x2dx=arctanx+C∴∫1a11+u2du=1aarctan(u)+C=1aarctanxa+C(96)(97)(98)(99)(100)(101)(102)(103)(104)(105)(106)(107)(108)(109)(110)(111)(112)
example 2
∫13+2xdx=?设:u=3+2x∫1udu=∫13+2xd(3+2x)d(3+2x)=(u)′dx=2dx,12du=dx因为令u代替了x,所以12du就等价于更换积分变量后的dx∫1u⋅12du=12ln|u|+C=12ln|3+2x|+C(113)(114)(115)(116)(117)(118)(119)(120)(121)(122)(123)(124)
example 3
∫1√a2−x2dx=?⇒∫1(a2−x2)12dx根据公式:∫dx(1−x2)12=arcsinx+C(a2−x2)12=[a2(1−x2a2)]12⇒∫dx[a2(1−x2a2)]12=∫1a⋅dx[1−(xa)2]12设:u=xa,令u成为新的积分变量du=d(xa)=(xa)′dx,dx=adu⇒∫1a⋅1(1−u2)12⋅adu=arcsin(u)+C=arcsinxa+C(125)(126)(127)(128)(129)(130)(131)(132)(133)(134)(135)(136)(137)(138)(139)(140)(141)
example 4
∫x√1−x2dx=?⇒∫x(1−x2)12dx 设: u=(1−x2)du=d(1−x2)=(1−x2)′dx−2xdx=du,du−2x=dx⇒∫x⋅(u)12⋅du−2x⇒∫−12(u)12du=−12(23u32)′+C=−13(u)32+C=−13(1−x2)32+C(142)(143)(144)(145)(146)(147)(148)(149)(150)(151)(152)(153)(154)(155)(156)(157)(158)
example 5
∫ex1+e2xdx=? 设: ex=u⇒∫u11+u2dx⇒∫u11+u2d(ex)d(ex)=(ex)′dx=exlnedx=exdxdu=exdx,dx=duex⇒∫u11+u2⋅1exdu=∫11+u2du根据公式: ∫11+x2dx=arctanx+C=arctan(u)+C=arctanex+C(159)(160)(161)(162)(163)(164)(165)(166)(167)(168)(169)(170)(171)(172)(173)(174)(175)(176)(177)
example 6
∫tanxdx=?⇒∫sinxcosxdx设:u=cosx⇒∫sinx⋅1u⋅d(cosx)d(cosx)=(cosx)′dx,dx=du−sinx⇒∫sinx⋅1u⋅du−sinx=−∫1udu=−ln|u|+C=−ln|cosx|+C(178)(179)(180)(181)(182)(183)(184)(185)(186)(187)(188)(189)(190)(191)(192)
example 7
∫cos3xsin2xdx=?据积化和差:cos2sinβ=12[sin(α+β)−cos(α−β)]⇒∫12[sin(3x+2x)−sin(3x−2x)]dx=∫12(sin5x−sinx)dx=12∫sin5xdx−12∫sinxdx首先:12∫sinxdx=12⋅−cosx+C设:u=5x,得:12∫sinu⋅d(5x)⇒d(5x)=(5x)′dx,dx=du5=12∫sinu15du=12⋅15⋅−cosu+c最终:−110cos5x+12cosx+C(193)(194)(195)(196)(197)(198)(199)(200)(201)(202)(203)(204)(205)(206)(207)(208)(209)(210)(211)(212)(213)(214)
example 8
∫x1+x2dx=?设:u=1+x2du=d(1+x2)=(1+x2)′dx=2xdxdx=12xdu⇒∫xu⋅12xdu=12∫1udu=12ln|u|+C=12ln|1+x2|+C(215)(216)(217)(218)(219)(220)(221)(222)(223)(224)(225)(226)
example 9
据微分公式:y=f(x)则:dy=f′(x)dx∫cos5xsinxdx=? 设: u=cosxdu=d(cosx)=(cosx)′dx=−sinxdx∫cos5xsinxdx⇒∫u5d(−cosx)⇒∫u5d(−u)d(−u)=−(−sinx)dx=sinxdx=−du⇒−∫u5du=−[11+5u5+1]+C=−[16u6]+C=−[16cos6x]+C(227)(228)(229)(230)(231)(232)(233)(234)(235)(236)(237)(238)(239)(240)(241)(242)(243)(244)
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