跳到主要内容

积分

积分是微积分的另一个核心概念!理解积分,能帮助我们计算面积、体积和解决累积问题。

什么是积分?

积分(Integral)是导数的逆运算,用于计算函数的累积效果。

简单理解

积分就像"累积求和":

  • 把函数值"累积"起来
  • 可以计算曲线下的面积
  • 可以计算体积、质量等累积量

定积分和不定积分

  • 不定积分:求原函数(反导数)
  • 定积分:计算函数在区间上的累积值

不定积分

定义

不定积分(Indefinite Integral)是求导数的逆运算。

如果 F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则:

f(x)dx=F(x)+C\int f(x) dx = F(x) + C

其中 CC 是常数(积分常数)。

性质

  • [f(x)+g(x)]dx=f(x)dx+g(x)dx\int [f(x) + g(x)] dx = \int f(x) dx + \int g(x) dx
  • kf(x)dx=kf(x)dx\int k f(x) dx = k \int f(x) dxkk 是常数)

基本积分公式

幂函数

xndx=xn+1n+1+C(n1)\int x^n dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C \quad (n \neq -1)

例子

  • x2dx=x33+C\int x^2 dx = \frac{x^3}{3} + C
  • xdx=x22+C\int x dx = \frac{x^2}{2} + C
  • dx=x+C\int dx = x + C

指数函数

exdx=ex+C\int e^x dx = e^x + C

axdx=axlna+C(a>0,a1)\int a^x dx = \frac{a^x}{\ln a} + C \quad (a > 0, a \neq 1)

对数函数

1xdx=lnx+C\int \frac{1}{x} dx = \ln |x| + C

三角函数

  • sinxdx=cosx+C\int \sin x dx = -\cos x + C
  • cosxdx=sinx+C\int \cos x dx = \sin x + C
  • sec2xdx=tanx+C\int \sec^2 x dx = \tan x + C
  • csc2xdx=cotx+C\int \csc^2 x dx = -\cot x + C

定积分

定义

定积分(Definite Integral)是函数在区间 [a,b][a, b] 上的累积值。

abf(x)dx=limni=1nf(ξi)Δxi\int_a^b f(x) dx = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i) \Delta x_i

其中 Δxi\Delta x_i 是区间的分割,ξi\xi_i 是每个小区间内的点。

几何意义

定积分 abf(x)dx\int_a^b f(x) dx 表示函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的曲线下的面积

  • 如果 f(x)0f(x) \ge 0,则定积分是曲线下的面积
  • 如果 f(x)<0f(x) < 0,则定积分是曲线上的面积的负值

牛顿-莱布尼茨公式

如果 F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则:

abf(x)dx=F(b)F(a)=F(x)ab\int_a^b f(x) dx = F(b) - F(a) = F(x)\Big|_a^b

例子02x2dx\int_0^2 x^2 dx

  • F(x)=x33F(x) = \frac{x^3}{3}(因为 F(x)=x2F'(x) = x^2
  • 02x2dx=F(2)F(0)=233033=83\int_0^2 x^2 dx = F(2) - F(0) = \frac{2^3}{3} - \frac{0^3}{3} = \frac{8}{3}

积分的性质

性质 1:区间可加性

abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx\int_a^b f(x) dx = \int_a^c f(x) dx + \int_c^b f(x) dx

性质 2:区间反转

abf(x)dx=baf(x)dx\int_a^b f(x) dx = -\int_b^a f(x) dx

性质 3:常数倍

abkf(x)dx=kabf(x)dx\int_a^b k f(x) dx = k \int_a^b f(x) dx

性质 4:和差

ab[f(x)±g(x)]dx=abf(x)dx±abg(x)dx\int_a^b [f(x) \pm g(x)] dx = \int_a^b f(x) dx \pm \int_a^b g(x) dx

换元积分法

第一类换元法(凑微分)

如果 f(u)du=F(u)+C\int f(u) du = F(u) + C,且 u=g(x)u = g(x),则:

f(g(x))g(x)dx=F(g(x))+C\int f(g(x)) g'(x) dx = F(g(x)) + C

例子2xex2dx\int 2x e^{x^2} dx

  • u=x2u = x^2,则 du=2xdxdu = 2x dx
  • 2xex2dx=eudu=eu+C=ex2+C\int 2x e^{x^2} dx = \int e^u du = e^u + C = e^{x^2} + C

第二类换元法

如果 x=g(t)x = g(t),则:

f(x)dx=f(g(t))g(t)dt\int f(x) dx = \int f(g(t)) g'(t) dt

分部积分法

公式

udv=uvvdu\int u dv = uv - \int v du

f(x)g(x)dx=f(x)g(x)f(x)g(x)dx\int f(x) g'(x) dx = f(x) g(x) - \int f'(x) g(x) dx

例子

例子xexdx\int x e^x dx

  • u=xu = xdv=exdxdv = e^x dx
  • du=dxdu = dxv=exv = e^x
  • xexdx=xexexdx=xexex+C=ex(x1)+C\int x e^x dx = x e^x - \int e^x dx = x e^x - e^x + C = e^x(x - 1) + C

积分的应用

应用 1:计算面积

曲线 y=f(x)y = f(x) 在区间 [a,b][a, b] 上的面积:

S=abf(x)dxS = \int_a^b |f(x)| dx

应用 2:计算体积

曲线 y=f(x)y = f(x)xx 轴旋转形成的旋转体体积:

V=πab[f(x)]2dxV = \pi \int_a^b [f(x)]^2 dx

应用 3:物理应用

  • 位移:速度对时间的积分是位移
  • :力对位移的积分是功

生活中的应用

物理

  • 运动学:计算位移、功、能量
  • 🔬 力学:计算力、动量

工程

  • 🏗️ 结构分析:计算面积、体积
  • ⚙️ 系统分析:计算累积效果

经济

  • 💰 成本分析:计算总成本
  • 📈 收益分析:计算总收益

常见错误

错误 1:积分常数遗漏

不定积分要加上积分常数 CC

错误 2:定积分计算错误

使用牛顿-莱布尼茨公式时,要注意 F(b)F(a)F(b) - F(a)

错误 3:换元法使用错误

使用换元法时,要注意变量的替换和积分限的变化。

小练习

  1. x3dx\int x^3 dx
  2. sinxdx\int \sin x dx
  3. 计算 01x2dx\int_0^1 x^2 dx
  4. 应用题:一个物体的速度函数是 v(t)=3t2+2tv(t) = 3t^2 + 2t,求 t=0t = 0t=2t = 2 的位移

💡 小贴士:积分是导数的逆运算。记住:xndx=xn+1n+1+C\int x^n dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + Cexdx=ex+C\int e^x dx = e^x + Csinxdx=cosx+C\int \sin x dx = -\cos x + C。掌握积分的计算,你就能计算面积、体积和累积量!