⭐⭐⭐ 重点复习

第 5 章:不定积分

不定积分是求导的逆运算,但“反向”并不意味着逐项生搬公式。考试关键在于先识别被积式结构,再选择直接积分、换元、分部积分或有理函数分解。

高等数学·概念 / 计算 / 证明与综合应用

1. 本章复习目标

学习目标

掌握定义、公式与定理的适用条件;能从题目结构选择方法,并通过原讲义例题与练习检验掌握程度。

2. 知识框架

概念与性质

由基本定义出发,梳理性质、公式和定理条件。

方法与应用

结合解题模板、例题和练习完成从理解到计算的迁移。

3. 核心知识点

原讲义内容

原函数与不定积分 ⭐⭐⭐

若 \(F'(x)=f(x)\),则 \(\int f(x)\,dx=F(x)+C\)。常数 \(C\) 不可遗漏。

凑微分与换元法 ⭐⭐⭐

出现 \(f(g(x))g'(x)\) 的结构时,优先令 \(u=g(x)\)。

分部积分法 ⭐⭐⭐

适合“一个因子求导会简化,另一个易积分”的乘积。

有理函数积分 ⭐⭐

先约分或做多项式除法,再依分母因式分解为部分分式。

核心知识与公式

\(\int f(x)\,dx=F(x)+C\quad\Longleftrightarrow\quad F'(x)=f(x)\)
被积函数不定积分使用条件 / 提醒
\(x^\alpha\)\(\frac{x^{\alpha+1}}{\alpha+1}+C\)\(\alpha\ne-1\)
\(1/x\)\(\ln|x|+C\)绝对值不可漏
\(e^x\)\(e^x+C\)
\(a^x\)\(\frac{a^x}{\ln a}+C\)\(a>0,a\ne1\)
\(\sin x,\cos x\)\(-\cos x+C,\ \sin x+C\)注意符号
\(\frac1{1+x^2}\)\(\arctan x+C\)
\(\frac1{\sqrt{1-x^2}}\)\(\arcsin x+C\)\(|x|<1\) 的区间内
不定积分结果必须写 \(+C\)。不同原函数只相差一个常数;没有 \(+C\) 的答案不是完整不定积分。

解题方法与判断模板

方法选择:
  1. 先尝试拆项,直接套基本积分公式。
  2. 若出现“内函数导数”或只差常数倍,优先凑微分/换元。
  3. 若为多项式与指数、对数、三角函数的乘积,判断分部积分:选求导后更简单的一项为 \(u\)。
  4. 若为有理式 \(\frac{P(x)}{Q(x)}\),先比较次数;分子次数不低于分母先做除法,再分解分母。

换元法

\(\int f(g(x))g'(x)\,dx=\int f(u)\,du,\quad u=g(x)\)

常见信号:\(\frac{g'(x)}{g(x)}\)、\(\cos(g(x))g'(x)\)、\(e^{g(x)}g'(x)\)、\([g(x)]^\alpha g'(x)\)。凑微分时,补上的常数必须在积分外补偿。

分部积分法

\(\int u\,dv=uv-\int v\,du\)

常用选取顺序可记为:反三角/对数优先作 \(u\),其次多项式,再考虑指数或三角函数。判断标准是:求导后的 \(u'\) 是否更简单,且 \(dv\) 是否容易积分。

有理函数

真分式且分母可分解时,按因子设部分分式。对于线性因子 \((x-a)\) 配 \(\frac A{x-a}\);不可约二次因子 \(x^2+px+q\) 配 \(\frac{Ax+B}{x^2+px+q}\)。

典型例题

例 1 · 凑微分

计算 \(\int\frac{2x}{1+x^2}\,dx\)。

分母内层 \(1+x^2\) 的导数正好是 \(2x\)。令 \(u=1+x^2,du=2x\,dx\),得 \(\int\frac{du}{u}=\boxed{\ln(1+x^2)+C}\)。因 \(1+x^2>0\),这里可省绝对值。

例 2 · 分部积分

计算 \(\int xe^x\,dx\)。

选 \(u=x,dv=e^x dx\),则 \(du=dx,v=e^x\)。由分部积分,\(\int xe^x dx=xe^x-\int e^x dx=\boxed{e^x(x-1)+C}\)。选 \(u=e^x\) 会使问题没有简化,因此不合适。

例 3 · 有理函数

计算 \(\int\frac{1}{x^2-1}\,dx\)。

\(\frac1{x^2-1}=\frac1{(x-1)(x+1)}=\frac A{x-1}+\frac B{x+1}\)。比较系数得 \(A=\frac12,B=-\frac12\)。故积分为 \(\boxed{\frac12\ln\left|\frac{x-1}{x+1}\right|+C}\)。

复习习题与详细解析

1. 计算 \(\int(3x^2-2+\cos x)\,dx\)

思路:逐项直接积分。
步骤:\(\int3x^2dx=x^3,\int(-2)dx=-2x,\int\cos xdx=\sin x\)。
答案:\(\boxed{x^3-2x+\sin x+C}\)。
易错:每一项合并后只需统一写一个 \(+C\)。

2. 计算 \(\int\frac{x}{x^2+4}\,dx\)

思路:分母内层导数为 \(2x\),只差常数倍。
步骤:\(\int\frac{x}{x^2+4}dx=\frac12\int\frac{2x}{x^2+4}dx\)。令 \(u=x^2+4\),得 \(\boxed{\frac12\ln(x^2+4)+C}\)。

3. 计算 \(\int x\ln x\,dx\)(\(x>0\))

思路:多项式与对数相乘,用分部积分,取 \(u=\ln x,dv=x\,dx\)。
步骤:\(du=dx/x,v=x^2/2\)。故 \(\int x\ln xdx=\frac{x^2}{2}\ln x-\frac12\int xdx=\boxed{\frac{x^2}{2}\ln x-\frac{x^2}{4}+C}\)。

4. 计算 \(\int\frac{2x+3}{x^2+3x+2}\,dx\)

思路:分母导数正好是 \(2x+3\)。
步骤:令 \(u=x^2+3x+2\),则 \(du=(2x+3)dx\)。答案为 \(\boxed{\ln|x^2+3x+2|+C}\)。
易错:二次式可能为负,不能擅自去掉绝对值。

5. 计算 \(\int\frac{1}{x(x+1)}\,dx\)

思路:部分分式分解。令 \(\frac1{x(x+1)}=\frac A x+\frac B{x+1}\),得 \(A=1,B=-1\)。
答案:\(\boxed{\ln|x|-\ln|x+1|+C=\ln\left|\frac{x}{x+1}\right|+C}\)。

常见错误

4. 常见题型

方法选择

原讲义中对应的解题模板与判断条件已完整保留在“核心知识点”区。

5. 典型例题

例题使用方式

先独立完成原讲义中的例题,再核对推导和公式条件。

6. 练习题

练习与解析

原有折叠练习、答案与解析均保留在“核心知识点”区。

7. 易错点

8. 公式速查

错误做法正确做法与原因
\(\int x^{-1}dx=\frac{x^0}{0}\)幂函数公式不适用于 \(\alpha=-1\),应为 \(\ln|x|+C\)。
分部积分后忘记负号牢记 \(\int u\,dv=uv-\int v\,du\),建议先写完整公式再代入。
换元后仍混用 \(u,x\)换元后将积分完全改写为 \(u\) 的式子,积分完再回代。
有理函数直接硬积分先判假分式/真分式,再除法或部分分式分解。
复习顺序使用要求检查项
定义与定理先确认适用条件对象、范围、已知条件
公式与计算代入前保持符号一致变量、上下标、边界或矩阵维数
结论写清结果的条件或范围数值、符号和逻辑方向

9. 本章总结

必须记忆

定义、公式与定理条件。

必须理解

概念关系与方法选择依据。

必须会做

原讲义中的例题、练习与综合题型。

容易丢分

忽略条件、符号不严谨或跳过关键步骤。