常见不定积分的计算
一些数学杂技而已。用作收集。
过于简单的(如求导公式反过来)就不记录了。
一、三角函数类
∫sinnxdx=−∫sinn−1xd(cosx)=−sinn−1xcosx+(n−1)∫cos2xsinn−2xdx=−sinn−1xcosx+(n−1)∫sinn−2xdx−(n−1)∫sinnxdx=−sinn−1xcosxn+n−1n∫sinn−2xdx+C(n≠0)
∫cosnxdx=cosn−1xsinxn+n−1n∫cosn−2xdx+C(n≠0)
∫tanxdx=−ln|cosx|+C
∫tannxdx=∫tann−2xsec2xdx−∫tann−2xdx=∫tann−2d(tanx)−∫tann−2xdx=tann−1xn−1−∫tann−2xdx+C(n≠1)
∫cotxdx=ln|sinx|+C
∫cotnxdx=−cotn−1xn−1−∫cotn−2xdx(n≠1)
∫secxdx=∫d(tanx+secx)tanx+secx=ln|tanx+secx|+C
∫secnxdx=∫secn−2xd(tanx)=secn−2xtanx−(n−2)∫(sec2x−1)secn−2xdx=secn−2xtanxn−1+n−2n−1∫secn−2xdx+C(n≠1)
∫cscxdx=−∫d(cotx+cscx)cotx+cscx=−ln|cotx+cscx|+C
∫cscnxdx=−cscn−2xcotxn−1+n−2n−1∫cscn−2xdx+C(n≠1)
∫arcsinnxdx=xarcsinnx−∫narcsinn−1x⋅x√1−x2dx=xarcsinnx+n∫arcsinn−1xd(√1−x2)=xarcsinnx+n√1−x2arcsinn−1x−n(n−1)∫arcsinn−2xdx+C
∫arccosnxdx=xarccosnx−n√1−x2arccosn−1x−n(n−1)∫arccosn−2xdx+C
∫arctanxdx=xarctanx−∫xdxx2+1=xarctanx−ln(x2+1)2+C
∫√tanxdx=∫sinx√sinxcosxdx=12(∫cosx+sinx√sinxcosxdx−∫cosx−sinx√sinxcosxdx)=1√2⎛⎜ ⎜⎝d(sinx−cosx)√1−(sinx−cosx)2+d(sinx+cosx)√(sinx+cosx)2−1⎞⎟ ⎟⎠=1√2(arcsin(sinx−cosx)−ln∣∣sinx+cosx+√2sinxcosx∣∣)+C(x∈[0,π2))
∫√cotxdx=1√2(arcsin(sinx−cosx)+ln∣∣sinx+cosx+√2sinxcosx∣∣)+C(x∈(0,π2])
∫sinx+cosx1−sinxcosxdx=2∫d(sinx−cosx)1+(sinx−cosx)2=2arctan(sinx−cosx)+C
∫dxasinx+bcosx=−∫d(acosx−bsinx)a2+b2−(acosx−bsinx)2=−12√a2+b2ln(√a2+b2+acosx−bsinx√a2+b2−acosx+bsinx)+C(a2+b2≠0)
∫msinx+ncosxasinx+bcosxdx=∫(am+bna2+b2+an−bma2+b2⋅acosx−bsinxasinx+bcosx)dx=am+bna2+b2x+an−bma2+b2ln|asinx+bcosx|+C(a2+b2≠0)
∫msin2x+ncos2xasin2x+bcos2xdx=∫mtan2x+natan2x+bdx=∫(m−na−b+an−bma−b⋅tan2x+1atan2x+b)dx=m−na−bx+an−bma−b∫d(tanx)atan2x+b+C(a≠b)
∫sin3xdxsinx+cosx=12(∫cos3x+sin3xcosx+sinxdx−∫cos3x−sin3xcosx+sinxdx)=12[x−sin2x2−∫cosx−sinxcosx+sinx(1+sin2x2)dx]=12[x−sin2x2−∫cos2x(1+sin2x2)dx1+sin2x]=12[x−sin2x2−14∫(1+11+sin2x)dsin2x]=x2−sin2x4−sinxcosx4−ln|sinx+cosx|4+C
∫cos3xdxsinx+cosx=12(∫cos3x+sin3xcosx+sinxdx+∫cos3x−sin3xcosx+sinxdx)=x2−sin2x4+sinxcosx4+ln|sinx+cosx|4+C
∫dxsin3x+cos3x=∫sin2x+cos2x(sinx+cosx)(1−sinxcosx)dx=23∫dxsinx+cosx+13∫sinx+cosx1−sinxcosxdx=−13√2ln(√2−sinx+cosx√2+sinx−cosx)+23arctan(sinx−cosx)+C
∫sinxsin3x+cos3xdx=12∫dx1−sinxcosx−∫d(sinx+cosx)(sinx+cosx)[3−(sinx+cosx)2]=1√3arctan(2tanx−1√3)−13ln|sinx+cosx|+16ln(1−sinxcosx)+C
∫cosxsin3x+cos3xdx=1√3arctan(2tanx−1√3)+13ln|sinx+cosx|−16ln(1−sinxcosx)+C
∫dxsin4x+cos4x=(tan2x+1)d(tanx)tan4x+1=1√2arctan(tan2x−1√2tanx)+C
∫dxsin6x+cos6x=∫(sin2x+cos2x)3sin6x+cos6xdx=x+∫3tan2xd(tanx)tan6x+1=x+arctan(tan3x)+C
二、分式类
∫dxx(xn+a)=∫xn−1dxxn(xn+a)=1na(∫d(xn)xn−∫d(xn)xn+a)=1aln|x|−1naln|xn+a|+C(n≠0,a≠0)
∫dx(x2+a)n=1a[∫dx(x2+a)n−1−∫x2dx(x2+a)n]=1a[∫dx(x2+a)n−1−∫xd((x2+a)−(n−1))⋅12⋅(−1n−1)]=1a∫dx(x2+a)n−1+12a(n−1)[x(x2+a)n−1−∫dx(x2+a)n−1]=12a(n−1)[x(x2+a)n−1+(2n−3)∫dx(x2+a)n−1]+C(n≠1,a≠0)
∫x2+1x4+1dx=∫x2x4+1d(x−1x)=∫d(x−1x)(x−1x)2+2=1√2arctan(x2−1√2x)+C
∫x2−1x4+1dx=−12√2ln(x2+√2x+1x2−√2x+1)+C
∫dx(x+a)m(x+b)n=−1n−1∫1(x+a)md(1(x+b)n−1)=−1(n−1)(x+a)m(x+b)n−1−mn−1∫dx(x+a)m+1(x+b)n−1+C(n≠1)
三、根号类
为简化形式,令 R=√ax2+bx+c。
∫1√x2+a2dx=∫d(atanθ)√(atanθ)2+a2=∫dθcosθ=ln(x+√x2+a2)+C(a>0,cosθ≥0)
∫1√x2−a2dx=∫dacosθ√(acosθ)2−a2=∫secθdθ=ln∣∣x+√x2−a2∣∣+C(a>0,tanθ≥0)
∫1√a2−x2dx=arcsin(xa)+C(a>0)
∫√x2+a2dx=x√x2+a2+a2∫dx√x2+a2−∫√x2+a2dx=x√x2+a2+a2ln(x+√x2+a2)2+C(a>0)
∫√x2−a2dx=x√x2−a2−a2∫dx√x2−a2−∫√x2−a2dx=x√x2−a2−a2ln∣∣x+√x2−a2∣∣2+C(a>0)
∫√a2−x2dx=x√a2−x2+a2∫dx√a2−x2−∫√a2−x2dx=x√a2−x2+a2arcsin(xa)2+C(a>0)
∫dxxR=∫dxx2√a+bx+cx2=∫dxx2√−(√|c|x−b2√|c|)2+a−b24c=∫⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣1−(√|c|x−b2√|c|)2a−b24c⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦−12⋅√|c|√a−b24c⋅1x2⋅1√a−b24c⋅√a−b24c√|c|dx=−arcsin[√1a−b24c(√|c|x−b2√|c|)]√|c|+C=1√|c|arcsin(bx+2cx√b2−4ac)+C(x>0,a≠0,c<0,b2−4ac>0)
∫dxxR=−1√cln∣∣∣bx+2c+2√cRx∣∣∣+C(x>0,a≠0,c>0,b2−4ac≠0)
∫dxx√ax2+bx=∫dxx2√a+bx=−2b√a+bx+C(x>0,a≠0,b≠0)
∫xmRdx=1am[∫R2(m−1)xm−2+axm+b2xm−1R−b(m−12)∫xm−1R−c(m−1)∫xm−2R]+C=1am[xm−1R−b(m−12)∫xm−1Rdx−c(m−1)∫xm−2Rdx]+C(a≠0,m≠0)
∫xmRdx=1c(m+1)[xm+1R−b(m+32)∫xm+1Rdx−a(m+2)∫xm+2Rdx]+C(c≠0,m≠−1)
∫dxR2n+1=12c−b22a(−∫2ax2+bxR2n+1dx+2∫dxR2n−1−b2a∫2ax+bR2n+1dx)+C=12c−b22a[22n−1(xR2n−1−∫dxR2n−1)+2∫dxR2n−1+ba(2n−1)⋅1R2n−1]+C=−1(b2−4ac)(2n−1)[4ax+2bR2n−1+8(n−1)a∫dxR2n−1]+C(n≠12,b2−4ac≠0)
题外话:
∀n,m∈Z,2∤n,a≠0,b2−4ac≠0,设 S(n,m)=∫Rnxmdx,则 S(±1,0),S(−1,−1) 已知。
则 S(−1,m) 已知。n≥0 时 S(n,m)=aS(n−2,m+2)+bS(n−2,m+1)+c(n−2,m) 已知。
S(n,0) 已知。S(n,1)=12a(2Rn+2n+2−bS(n,0)) 已知。
同时可知,c≠0 时 S(n,m) 可转移至 S(n+2,m),S(n,m+2),S(n,m+1)。
c=0 时 b≠0,可转移至 S(n,m+1),S(n+2,m−1)。
对 Rnxm 求导可知 n≠−2 时 S(n,m) 可转移至 S(n,m−1),S(n+2,m−3)。
综上,所有 S(n,m) 均可积。
事实上,所有仅含 R 和 x 的有理分式均可积(消去一次项后三角换元即可)。但计算量...
∫√ax+1dx=∫2x+a2√x(x+a)+a∫dx2√x(x+a)=√x(x+a)+aln(√x+√x+a)+C
∫√ax−1dx=∫√aasin2t−1d(asin2t)=2a∫costsint⋅sintcostdt=√x(a−x)+aarcsin√xa+C(a>0,t∈[0,π2])
∫dx(ax2+b)√cx2+d=1d∫cx2+dax2+bd(x√cx2+d)=∫d(x√cx2+d)b+(ad−bc)(x√cx2+d)2(b2+d2≠0)
∫√1+x41−x4dx=12∫√x2+1x21−x4d(x2)⋅x|x|=−12∫√x2+1x2(x2+1x2)2−4d(x2+1x2)⋅x|x|=−12∫(1x2+1x2−2+1x2+1x2+2)d(√x2+1x2)⋅x|x|=−14√2ln(√1+x4−√2x√1+x4+√2x)−12√2arctan(√1+x4√2x)+C
∫√1−x41+x4dx=−14arctan(1−x4−2x22x√1−x4)+18ln(1−x4+2x2+2x√1−x41−x4+2x2−2x√1−x4)+C
∫dx3√(x−1)(x+1)2=−3∫d(3√x+1x−1)(3√x+1x−1)3+1=−12ln|x−1|−32ln∣∣∣3√x+1x−1−1∣∣∣+√3arctan⎛⎜ ⎜⎝23√x+1x−1+1√3⎞⎟ ⎟⎠+C
∫dx(1+xn)1+1n=∫dx(1+xn)1n+∫x(−1n)(1+xn)−1−1nd(xn)=∫(1+xn)−1ndx+∫xd((1+xn)−1n)=xn√1+xn+C
∫dx(1−xn)1+1n=xn√1−xn+C
∫dxn√1+xn=∫d(xn√1+xn)1−(xn√1+xn)n
∫dxn√1−xn=∫d(xn√1−xn)1+(xn√1−xn)n
四、对数类
∫ln(x+√x2+a2)dx=xln(x+√x2+a2)−∫xdx√x2+a2=xln(x+√x2+a2)−√x2+a2+C(a>0)
∫ln(x+√x2−a2)dx=xln(x+√x2−a2)−√x2−a2+C(a>0)
∫1−lnx(x+lnx)2dx=x2(x+lnx)2d(lnxx)=1(1+lnxx)2d(lnxx)=−xx+lnx+C
∫ln(√1+x+√1−x)dx=∫ln(√1+sin2t+√1−sin2t)d(sin2t)=∫ln(2cost)d(sin2t)=sin2tln(2cost)+t−sin2t2+C=ln2−12x+arcsinx2+x2ln(√1−x2+1)+C(t∈[−π4,π4])
∫ln(√1−x−√x)dx=xln(√1−x−√x)−∫sin2td(ln(cost−sint))=xln(√1−x−√x)+12[∫sint+costcost−sintdt−∫(cos2t−sin2t)sint+costcost−sintdt]=xln(√1−x−√x)−ln(cost−sint)2−t2+cos2t4+C=(x−12)ln(√1−x−√x)−arcsin√x2−x2+C(t∈[0,π4])
五、混合类
∫eaxsinbxdx=Im{∫e(a+bi)xdx}=Im{eax(cosbx+isinbx)a+bi}+C=eax(asinbx−bcosbx)a2+b2+C(a2+b2≠0)
∫eaxcosbxdx=eax(acosbx+bsinbx)a2+b2+C(a2+b2≠0)
∫xnsin(lnx)dx=1n+1xn+1sin(lnx)−1(n+1)2[xn+1cos(lnx)+∫xnsin(lnx)dx]=(n+1)sin(lnx)−cos(lnx)n2+2n+2xn+1+C(n≠−1)
∫xncos(lnx)dx=sin(lnx)+(n+1)cos(lnx)n2+2n+2xn+1+C(n≠−1)
∫ex2cosx√sinx+cosxdx=12(∫ex2√sinx+cosxdx+∫ex2cosx−sinx√sinx+cosxdx)=12(∫ex2√sinx+cosxdx+2∫ex2d(√sinx+cosx))=12(∫ex2√sinx+cosxdx+2ex2√sinx+cosx−∫ex2√sinx+cosxdx)=ex2√sinx+cosx+C
∫x√1−x2ln(x√1−x2)dx=−∫ln(x√1−x2)d(√1−x2)=−√1−x2ln(x√1−x2)+∫dxx√1−x2=−√1−x2ln(x√1−x2)−ln(1+√1−x2x)+C
∫arctanx(x+1x)2dx=∫arctanxd(−x2(x2+1)+arctanx2)=−xarctanx2(x2+1)+12∫xdx(x2+1)2+arctan2x4+C=−xarctanx2(x2+1)−14(x2+1)+arctan2x4+C
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