换元积分法

Integration By Substitution

说明

基于复合函数求导法则,解决特殊的不定积分

第一类换元法:要求熟练掌握三角公式
第二类换元法:主要侧重构造三角形,进行三角函数换元


一、第一类换元法

核心是通过凑微分来换元:

∫f[φ(x)]φ′(x)dx=[∫f(u)du]u=φ(x)∫1a2+x2dx=1a∫11+(xa)2dxa=1aarctan⁡xa+C∫dxa2−x2=∫dxa1−(xa)2=arcsin⁡xa+C∫1x2−a2dx=∫12a(1x−a−1x+a)dx=12aln⁡|x−ax+a|+C∫tan⁡xdx=∫sin⁡xcos⁡xdx=∫d(−cos⁡x)cos⁡x=−ln⁡|cos⁡x|+C∫cot⁡xdx=∫cos⁡xsin⁡xdx=∫d(sin⁡x)sin⁡x=ln⁡|sin⁡x|+C∫sin2k+1⁡xcosn⁡xdx=∫(1−cos2⁡x)kcosn⁡xd(−cos⁡x)=−∫(1−u2)kundu∫cos2k+1⁡xsinn⁡xdx=∫(1−sin2⁡x)ksinn⁡xd(sin⁡x)=∫(1−u2)kundu∫sin2k⁡xcos2l⁡xdx=∫[12(1−cos⁡2x)]k[12(1+cos⁡2x)]ldx∫tann⁡xsec2k⁡xdx=∫tann⁡x(1+tan2⁡x)k−1d(tan⁡x)=∫un(1+u2)(k−1)du∫tan2k+1⁡xsecn+1⁡xdx=∫tan2k⁡xsecn⁡xtan⁡xsec⁡xdx=∫(sec2⁡x−1)ksecn⁡xdsec⁡x=∫(u2−1)kundu∫sec⁡xdx=ln⁡|sec⁡x+tan⁡x|+C∫csc⁡xdx=ln⁡|csc⁡x−cot⁡x|+C

二、第二类换元法

也称为三角换元法,利用三角关系代换来换元:

∫f(x)dx=[∫f[ψ(t)]ψ′(t)dt]t=ψ−1(x)

Pasted image 20240916172121.png

令 x=asin⁡tcos2⁡t+sin2⁡t=1 有:

∫a2−x2dx=∫acos⁡t⋅acos⁡tdt=a2∫12(1+cos⁡2t)dt=a22t+a22sin⁡tcos⁡t+C=a22arcsin⁡xa+12xa2−x2+C

令 x=tan⁡ttan2⁡t+1=sec2⁡t 有:

∫dxx2+a2=∫asec2⁡tasec⁡tdt=∫sec⁡tdt=ln⁡|sec⁡t+tan⁡t|+C=ln⁡(xa+x2+a2a)+C=ln⁡(x+x2+a2)+C1

令 x=sec⁡tsec2⁡t−1=tan2⁡t 有:

∫dxx2−a2=∫asec⁡ttan⁡tatan⁡tdt=∫sec⁡tdt=ln⁡(sec⁡t+tan⁡t)+C=ln⁡(xa+x2−a2a)+C=ln⁡(x+x2−a2)+C1