一些高数积分笔记

Last updated on April 10, 2026 6:12 PM

救救期中。。

三角函数的一些公式

tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^{2}x+1=\sec^{2}x 是很重要的关于 tan⁡x\tan x 的处理,很多时候和 dtan⁡x=sec⁡2xdx\mathrm{d}\tan x = \sec^{2} x \mathrm{d}x 一起处理问题。

然后是三角函数的 Reduction Formula,采用分部积分来处理。

∫sin⁡mxdx=−∫sin⁡m−1xdcos⁡x=∫cos⁡xdsin⁡m−1x−cos⁡xsin⁡m−1x=(m−1)∫sin⁡m−2xcos⁡2xdx−cos⁡xsin⁡m−1x=(m−1)∫sin⁡m−2x(1−sin⁡2x)dx−cos⁡xsin⁡m−1xm∫sin⁡mxdx=(m−1)∫sin⁡m−2xdx−sin⁡m−1xcos⁡x∫sin⁡mxdx=m−1m∫sin⁡m−2xdx−1msin⁡m−1xcos⁡x\begin{aligned} \int\sin^m x \mathrm{d}x =&-\int \sin^{m-1}x\mathrm{d}\cos x\\ =&\int \cos x \mathrm{d} \sin^{m-1}x - \cos x \sin^{m-1}x\\ =&(m-1)\int\sin^{m-2}x \cos^{2}x\mathrm{d}x - \cos x \sin^{m-1}x\\ =&(m-1)\int\sin^{m-2}x(1-\sin^{2}x)\mathrm{d}x - \cos x\sin^{m-1}x\\ m \int \sin^m x \mathrm{d}x=& (m-1)\int \sin^{m-2}x\mathrm{d}x-\sin^{m-1}x\cos x\\ \int \sin^m x\mathrm{d}x =& \frac{m-1}{m}\int \sin^{m-2}x \mathrm{d}x - \frac{1}{m}\sin^{m-1}x\cos x \end{aligned}

∫cos⁡mxdx=∫cos⁡m−1xdsin⁡x=sin⁡xcos⁡m−1x−∫sin⁡xdcos⁡m−1x=sin⁡xcos⁡m−1x+(m−1)∫sin⁡2xcos⁡m−2dx=sin⁡xcos⁡m−1x+(m−1)∫(1−cos⁡2x)cos⁡m−2dx=sin⁡xcos⁡m−1x+(m−1)∫cos⁡m−2dx−(m−1)∫cos⁡mdxm∫cos⁡mxdx=(m−1)cos⁡m−2dx+sin⁡xcos⁡m−1x∫cos⁡mdx=m−1m∫cos⁡m−2dx+1msin⁡xcos⁡m−1x\begin{aligned} \int \cos^mx \mathrm{d}x &= \int \cos^{m-1}x\mathrm{d}\sin x \\ &= \sin x \cos^{m - 1}x - \int \sin x \mathrm{d}\cos^{m - 1}x\\ &= \sin x \cos^{m - 1}x + (m - 1) \int \sin^{2}x\cos^{m-2}\mathrm{d}x\\ &= \sin x \cos^{m - 1}x + (m - 1) \int (1-\cos^{2}x)\cos^{m-2}\mathrm{d}x\\ &= \sin x \cos^{m - 1}x + (m - 1) \int \cos^{m-2}\mathrm{d}x-(m-1)\int\cos^m\mathrm{d}x\\ m \int \cos ^m x\mathrm{d}x&=(m-1)\cos^{m-2}\mathrm{d}x + \sin x \cos^{m - 1}x\\ \int \cos^{m}\mathrm{d}x &= \frac{m - 1}{m}\int \cos^{m - 2}\mathrm{d}x + \frac{1}{m}\sin x \cos^{m - 1}x \end{aligned}

Im=∫tan⁡mxdx=∫tan⁡m−2x(sec⁡2x−1)dx=∫tan⁡m−2xdtan⁡x−∫tan⁡m−2xdx=tan⁡m−1x−∫tan⁡xdtan⁡m−2x−Im−2=tan⁡m−1x−(m−2)∫tan⁡m−2(1+tan⁡2x)dx−Im−2=tan⁡m−1x−(m−1)Im−2−(m−2)ImIm=tan⁡m−1xm−1−Im−2\begin{aligned} I_m=\int \tan^m x \mathrm{d}x &= \int \tan^{m - 2}x(\sec^{2}x - 1) \mathrm{d}x\\ &= \int \tan ^{ m - 2}x \mathrm{d}\tan x - \int \tan^{m - 2}x\mathrm{d}x\\ &= \tan^{m - 1}x - \int \tan x \mathrm{d} \tan^{m - 2}x - I_{m-2}\\ &= \tan^{m - 1}x- (m - 2)\int \tan^{m - 2}(1+\tan^{2}x)\mathrm{d}x - I_{m-2}\\ &= \tan^{m - 1}x - (m-1)I_{m-2} - (m - 2)I_m\\ I_m &= \frac{\tan^{m - 1}x}{m - 1} - I_{m - 2} \end{aligned}

一些比较重要的

好恶心啊。

  • ∫dxa2−x2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{a^{2}-x^{2}}
  • ∫dxa2+x2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{a^{2}+x^{2}}
  • ∫dxa2−x2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}},其中 a>0a>0
  • ∫a2−x2dx\displaystyle \int\sqrt{a^{2}-x^{2}}\mathrm{d}x,其中 a>0a>0
  • ∫dxx2+a2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}
  • ∫dxx2−a2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^2-a^{2}}},其中 a>0a>0
  • ∫a2+x2dx\displaystyle \int\sqrt{a^2+x^2}\mathrm{d}x
  • ∫x2−a2dx\displaystyle \int\sqrt{x^{2}-a^{2}}\mathrm{d}x

对于第一个,我们发现可以使用拆项的方式,其即为 ∫dxa2−x2=12aln⁡∣a−xa+x∣+C\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{a^{2}-x^{2}}=\frac{1}{2a}\ln\left\vert \frac{a-x}{a+x} \right\vert +C。

对于第二个,发现是 arctan⁡\arctan 的形式,凑微分便有 ∫dxa2+x2=1aarctan⁡xa+C\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{a^{2}+x^{2}}=\frac{1}{a}\arctan \frac{x}{a}+C。

对于第三个,发现是 arcsin⁡\arcsin 的形式,凑微分便有 ∫dxa2−x2=arcsin⁡xa+C\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} = \arcsin \frac{x}{a} + C。

对于 ∫a2−x2dx\displaystyle \int\sqrt{a^{2}-x^{2}}\mathrm{d}x,使用三角换元即可,不是特别恶心。令 x=asin⁡t(−π2≤t≤π2)x=a\sin t \displaystyle \left( -\frac{\pi}{2}\le t\le\frac{\pi}{2} \right),则

∫a2−x2dx=∫a1−sin⁡2t⋅acos⁡tdt=a2∫cos⁡2dt=a22∫(1+cos⁡2t)dt=a22(t+sin⁡tcos⁡t)+C=a22[arcsin⁡xa+xa1−(xa)2]+C=a22arcsin⁡xa+x2a2−x2+C\begin{aligned} \int\sqrt{a^{2}-x^{2}}\mathrm{d}x &= \int a\sqrt{1-\sin^{2}t}\cdot a\cos t \mathrm{d}t\\ &=a^2\int \cos^{2} \mathrm{d}t\\ &= \frac{a^{2}}{2}\int(1+\cos 2t)\mathrm{d}t\\ &= \frac{a^{2}}{2}\left( t+\sin t\cos t \right) +C\\ &=\frac{a^2}{2}\left[ \arcsin \frac{x}{a} + \frac{x}{a}\sqrt{1-\left( \frac{x}{a} \right) ^{2}} \right] +C\\ &= \frac{a^2}{2}\arcsin \frac{x}{a} + \frac{x}{2}\sqrt{a^{2}-x^{2}}+C \end{aligned}

对于 ∫dxx2+a2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}},同样可以使用三角换元,令 x=atan⁡t(−π2<t<π2)\displaystyle x=a \tan t \left( -\frac{\pi}{2}< t < \frac{\pi}{2} \right),则

∫dxx2+a2=∫asec⁡2tdta2sec⁡2t=∫sec⁡tdt\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}} &= \int \frac{a \sec^{2}t \mathrm{d} t}{\sqrt{a^{2}\sec^{2} t}}= \int \sec t \mathrm{d}t\\ \end{aligned}

在继续之前,我们先处理 sec⁡\sec 的积分,有 ∫sec⁡xdx=∫cos⁡xcos⁡2xdx=∫d(sin⁡x)1−sin⁡2x=12ln⁡∣1+sin⁡x1−sin⁡x∣+C\displaystyle \int \sec x \mathrm{d}x = \int \frac{\cos x}{\cos^{2}x}\mathrm{d}x = \int \frac{\mathrm{d}(\sin x)}{1-\sin^{2}x} = \frac{1}{2}\ln\left\vert \frac{1+\sin x}{1 - \sin x} \right\vert + C,事实上还可以继续化简,继续上下配凑:12ln⁡∣1+sin⁡x1−sin⁡x∣=12ln⁡∣(1+sin⁡x)2cos⁡2x∣=ln⁡∣sin⁡x+1cos⁡x∣=ln⁡∣tan⁡x+sec⁡x∣\displaystyle \frac{1}{2}\ln\left\vert \frac{1+\sin x}{1-\sin x} \right\vert = \frac{1}{2}\ln\left\vert \frac{(1+\sin x)^2}{\cos^{2}x} \right\vert = \ln\left\vert \frac{\sin x + 1}{\cos x} \right\vert =\ln\left\vert \tan x + \sec x \right\vert,综上有 ∫sec⁡xdx=ln⁡∣tan⁡x+sec⁡x∣+C\displaystyle \int \sec x \mathrm{d}x = \ln \left\vert \tan x + \sec x \right\vert + C。

回到上面,我们继续处理:

∫dxx2+a2=ln⁡∣tan⁡t+sec⁡t∣+C\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}=\ln\left\vert \tan t + \sec t \right\vert + C

在直角三角形中,可以看出来,当 tan⁡t=xa\displaystyle \tan t = \frac{x}{a} 时,sec⁡t=x2+a2a\displaystyle \sec t = \frac{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}{a},故

∫dxx2+a2=ln⁡∣xa+x2+a2a∣+C=ln⁡∣x+x2+a2∣+C\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}=\ln\left\vert \frac{x}{a}+\frac{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}{a} \right\vert +C = \ln\left\vert x+\sqrt{x^{2}+a^{2}} \right\vert +C

(最后一步将 ln⁡a\ln a 提出来扔进 CC 里面了),和上文的双曲换元比较,谁简单应该不用我说了。

接下来是 ∫dxx2−a2\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}-a^{2}}},可以类似上文,当 x>ax > a 时令 x=asec⁡tx = a\sec t,然后一通操作,再分类讨论 x<−ax < -a 的情况,好麻烦啊,本文略了。但是既然这让我们这么痛苦,为什么不考虑一下双曲换元呢?令 x>ax > a 时 x=acosh⁡t(t>0)x = a\cosh t (t>0),则

∫dxx2−a2=∫sinh⁡tdtsinh⁡t=t=arcosh⁡xa+C=ln⁡(x+x2−a2)+C\begin{aligned} \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}-a^{2}}}&= \int \frac{\sinh t \mathrm{d}t}{\sinh t} = t = \operatorname{arcosh}\frac{x}{a} +C= \ln(x+\sqrt{x^{2}-a^{2}}) + C\\ \end{aligned}

对于 x<−ax<-a 的讨论是类似的,上下的负号会被消去,最后都是一样的。所以 ∫dxx2−a2=ln⁡∣x+x2−a2∣+C\displaystyle \int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}-a^{2}}} = \ln \left\vert x+\sqrt{x^{2}-a^{2}} \right\vert +C

综上我们有很常见且重要的结论:

∫dxx2±a2=ln⁡∣x+x2±a2∣+C\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}\pm a^{2}}}=\ln\left\vert x+\sqrt{x^{2}\pm a^{2}} \right\vert +C

最后是 ∫x2+a2dx\displaystyle \int\sqrt{x^{2}+a^{2}}\mathrm{d}x 和 ∫x2−a2dx\displaystyle \int \sqrt{x^{2}-a^{2}}\mathrm{d}x,这两个既可以使用分部积分也可以使用双曲换元,这里两种思路都说一遍。

先看前者,我们直接分部积分莽的话,有

∫x2+a2dx=xx2+a2−∫xdx2+a2=xx2+a2−∫x2dxx2+a2=xx2+a2−∫x2+a2dx+a2∫dxx2+a2=x2x2+a2+a22ln⁡∣x+x2+a2∣+C\begin{aligned} \int\sqrt{x^{2}+a^{2}}\mathrm{d}x&=x\sqrt{x^{2}+a^{2}}-\int x\mathrm{d}\sqrt{x^{2}+a^{2}} \\ &= x\sqrt{x^{2}+a^{2}} - \int \frac{x^{2}\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}\\ &= x\sqrt{x^{2}+a^{2}} - \int \sqrt{x^{2}+a^{2}}\mathrm{d}x + a^{2}\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+a^{2}}}\\ &= \frac{x}{2}\sqrt{x^{2}+a^{2}}+\frac{a^{2}}{2}\ln\left\vert x+\sqrt{x^{2}+a^{2}} \right\vert +C \end{aligned}

或者我们换元,令 x=asinh⁡tx = a\sinh t,则

∫x2+a2dx=a2∫cosh⁡2tdt=a2∫cosh⁡2t+12dt=a24∫cosh⁡2td(2t)+a22t=a24sinh⁡2t+a22t+C=a22sinh⁡tcosh⁡t+a22t+C=a2x1+x2a2+a22ln⁡∣xa+(xa)2+1∣+C=x2x2+a2+a22ln⁡∣x+x2+a2∣+C\begin{aligned} \int\sqrt{x^{2}+a^{2}}\mathrm{d}x &= a^{2}\int \cosh^{2}t \mathrm{d}t \\ &= a^2\int \frac{\cosh 2t+1}{2}\mathrm{d}t\\ &= \frac{a^2}{4}\int \cosh 2t \mathrm{d}(2t) + \frac{a^2}{2}t\\ &= \frac{a^2}{4}\sinh 2t + \frac{a^{2}}{2}t+C\\ &= \frac{a^2}{2}\sinh t \cosh t + \frac{a^{2}}{2}t+C\\ &= \frac{a}{2}x\sqrt{1+\frac{x^{2}}{a^{2}}}+\frac{a^{2}}{2}\ln\left\vert \frac{x}{a}+\sqrt{\left( \frac{x}{a} \right) ^{2}+1} \right\vert +C\\ &= \frac{x}{2}\sqrt{x^{2}+a^{2}}+\frac{a^{2}}{2}\ln\left\vert x+\sqrt{x^{2}+a^{2}} \right\vert +C \end{aligned}

再看后者;

∫x2−a2dx=xx2−a2−∫xdx2−a2=xx2−a2−∫x2x2−a2dx=xx2−a2−∫x2−a2dx−a2∫dxx2−a2=x2x2−a2−a22ln⁡∣x+x2−a2∣+C\begin{aligned} \int\sqrt{x^{2}-a^{2}} \mathrm{d}x &= x\sqrt{x^{2}-a^{2}}-\int x\mathrm{d}\sqrt{x^{2}-a^{2}}\\ &= x\sqrt{x^{2}-a^{2}}-\int \frac{x^{2}}{\sqrt{x^{2}-a^{2}}}\mathrm{d}x\\ &= x\sqrt{x^{2}-a^{2}}-\int \sqrt{x^{2}-a^{2}}\mathrm{d}x - a^{2}\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2} - a^{2}}}\\ &= \frac{x}{2}\sqrt{x^{2}-a^{2}}- \frac{a^{2}}{2}\ln\left\vert x+\sqrt{x^{2}-a^{2}} \right\vert +C\\ \end{aligned}

好像根本就差不多啊,然后一样,分讨,先考虑 x>ax>a,令 x=acosh⁡tx = a\cosh t,则

∫x2−a2dx=a2∫sinh⁡2tdt=a2∫cosh⁡2t−12dt=−a22t+a24sinh⁡2t+C=−a22t+a22sinh⁡tcosh⁡t+C=−a22ln⁡(xa+(xa)2−1)+a2x(xa)2−1+C=x2x2−a2−a22ln⁡(x+x2−a2)+C\begin{aligned} \int \sqrt{x^{2} - a^{2}}\mathrm{d}x &= a^2\int \sinh^2 t \mathrm{d}t\\ &= a^{2}\int \frac{\cosh2t-1}{2}\mathrm{d}t\\ &= -\frac{a^{2}}{2}t + \frac{a^{2}}{4}\sinh 2t + C\\ &= -\frac{a^{2}}{2}t + \frac{a^{2}}{2}\sinh t \cosh t + C\\ &= -\frac{a^{2}}{2}\ln\left( \frac{x}{a}+\sqrt{\left( \frac{x}{a} \right) ^{2}-1} \right) +\frac{a}{2}x\sqrt{\left( \frac{x}{a} \right) ^{2}-1}+C\\ &= \frac{x}{2}\sqrt{x^{2}-a^{2}}-\frac{a^2}{2}\ln\left( x+\sqrt{x^{2}-a^{2}} \right) +C \end{aligned}

然后还要对于 x<−ax<-a 讨论,此处略过,同样是负号没了,所以答案和上面一样的,注意绝对值的问题。

也可以总结一下,但是用的不太多:

∫x2±a2dx=x2x2±a2±a22ln⁡∣x+x2±a2∣+C\int \sqrt{x^{2}\pm a^{2}}\mathrm{d}x = \frac{x}{2}\sqrt{x^{2}\pm a^{2}}\pm \frac{a^2}{2}\ln\left\vert x + \sqrt{x^{2}\pm a^{2}} \right\vert +C

还有一个特别恶心的递推:In=∫dt(t2+a2)n\displaystyle I_n=\int \frac{\mathrm{d}t}{\left( t^{2}+a^{2} \right) ^{n}},期中 nn 为大于 11 的整数,且 a>0a>0。

定积分的一些内容

分部积分的一个递推:考虑我们要求 In=∫0π2sin⁡nxdx\displaystyle I_n = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^nx \mathrm{d}x,其中 nn 为大于 11 的整数,则:

In=−∫0π2sin⁡n−1xdcos⁡x=∫0π2cos⁡xdsin⁡n−1x−sin⁡n−1xcos⁡x∣0π2=(n−1)∫0π2sin⁡n−2xcos⁡2xdx=(n−1)∫0π2(1−sin⁡2x)sin⁡n−2xdx=(n−1)In−2−(n−1)InIn=n−1nIn−2\begin{aligned} I_n &= -\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n-1}x\mathrm{d}\cos x \\ &= \int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos x \mathrm{d}\sin^{n-1}x - \sin^{n-1}x \cos x\big|_0^{\frac{\pi}{2}}\\ &= (n-1)\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{n-2}x \cos^{2}x\mathrm{d}x\\ &= (n-1)\int_0^{\frac{\pi}{2}}(1-\sin^{2}x)\sin^{n-2}x\mathrm{d}x\\ &=(n-1)I_{n-2}-(n-1)I_n\\ I_n&= \frac{n-1}{n}I_{n-2} \end{aligned}

而 I0=π2I_0 = \displaystyle \frac{\pi}{2},I1=1I_1=1,所以把递推式展开,有

∫0π2sin⁡2kxdx=(2k−1)!!(2k)!!⋅π2∫0π2sin⁡2k+1xdx=(2k)!!(2k+1)!!\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2k}x\mathrm{d}x=\frac{(2k-1)!!}{(2k)!!}\cdot \frac{\pi}{2}\\ \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2k+1}x\mathrm{d}x=\frac{(2k)!!}{(2k+1)!!}

其中 k=1,2,⋯k=1,2, \cdots。

并且由于若我们令 t=π2−xt = \displaystyle \frac{\pi}{2}-x,则

∫0π2cos⁡nxdx=∫π20sin⁡ntd(−t)=∫0π2sin⁡nxdx\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^nx\mathrm{d}x=\int _{\frac{\pi}{2}}^0\sin^n t \mathrm{d}(-t) = \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^nx\mathrm{d}x

所以上面的递推式的形式对 cos⁡\cos 完全适用。


一些高数积分笔记
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Author
YangTY
Posted on
November 3, 2023
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