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不定积分的概念与性质

原函数与不定积分的概念​

定义 1​

如果在区间 II 上,可导函数 F(x)F(x) 的导函数为 f(x)f(x) ,即对任一 x∈Ix \in I ,都有

F′(x)=f(x)或dF(x)=f(x)dxF'(x) = f(x) \quad \text{或} \quad dF(x) = f(x)\mathrm{d} x

那么函数 F(x)F(x) 就称为 f(x)f(x)(或 f(x)dxf(x)\mathrm{d} x)在区间 II 上的一个 原函数。

原函数存在定理​

如果函数 f(x)f(x) 在区间 II 上连续,那么在区间 II 上存在可导函数 F(x)F(x),使对任一 x∈Ix \in I 都有

F′(x)=f(x)F'(x) = f(x)

简单地说就是:连续函数一定有原函数 。

定义 2​

在区间 II 上,函数 f(x)f(x) 的带有任意常数项的原函数称为 f(x)f(x)(或 f(x)dxf(x) \mathrm{d} x )在区间 II 上的 不定积分 ,记作

∫f(x)dx.\int f(x)\mathrm{d} x.

其中记号 ∫\int 称为 积分号 , f(x)f(x) 称为 被积函数 , f(x)dxf(x) \mathrm{d} x 称为 被积表达式 , xx 称为 积分变量 。

基本积分表​

既然积分运算是微分运算的逆运算,那么很自然地可以从导数公式得到相应的积分公式。

例如,因为 (xμ+1μ+1)′=xμ\Big( \frac{x^{\mu+1}}{\mu+1} \Big)' = x^\mu , 所以 xμ+1μ+1\frac{x^{\mu+1}}{\mu+1} 是 xμx^\mu 的一个原函数,于是

∫xμdx=xμ+1μ+1+C(μ≠−1)\int x^\mu \mathrm{d} x = \frac{x^{\mu+1}}{\mu+1} + C \quad (\mu \neq -1)

类似地可以得到其他积分公式。 下面把一些基本的积分公式列成一个表,这个表通常叫做 基本积分表 。

  1. ∫kdx=kx+C(k 是常数)\int k \mathrm{d} x = kx + C \quad (k \text{ 是常数})

  2. ∫xμdx=xμ+1μ+1+C(μ≠−1)\int x^\mu \mathrm{d} x = \frac{x^{\mu+1}}{\mu+1} + C \quad (\mu \neq -1)

  3. ∫dxx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{\mathrm{d} x}{x} = \ln |x| + C

  4. ∫dx1+x2=arctan⁡x+C\int \frac{\mathrm{d} x}{1+x^2} = \arctan x + C

  5. ∫dx1−x2=arcsin⁡x+C\int \frac{\mathrm{d} x}{\sqrt{1-x^2}} = \arcsin x + C

  6. ∫cos⁡xdx=sin⁡x+C\int \cos x \mathrm{d} x = \sin x + C

  7. ∫sin⁡xdx=−cos⁡x+C\int \sin x \mathrm{d} x = -\cos x + C

  8. ∫dxcos⁡2x=∫sec⁡2xdx=tan⁡x+C\int \frac{\mathrm{d} x}{\cos^2 x} = \int \sec^2 x \mathrm{d} x = \tan x + C

  9. ∫dxsin⁡2x=∫csc⁡2xdx=−cot⁡x+C\int \frac{\mathrm{d} x}{\sin^2 x} = \int \csc^2 x \mathrm{d} x = -\cot x + C

  10. ∫sec⁡xtan⁡xdx=sec⁡x+C\int \sec x \tan x \mathrm{d} x = \sec x + C

  11. ∫csc⁡xcot⁡xdx=−csc⁡x+C\int \csc x \cot x \mathrm{d} x = -\csc x + C

  12. ∫exdx=ex+C\int e^x \mathrm{d} x = e^x + C

  13. ∫axdx=axln⁡a+C(a>0 且 a≠1)\int a^x \mathrm{d} x = \frac{a^x}{\ln a} + C \quad (a > 0 \text{ 且 } a \neq 1)

以上十三个基本积分公式是求不定积分的基础,必须熟记。

不定积分的性质​

性质 1​

设函数 f(x)f(x) 及 g(x)g(x) 的原函数存在,则

∫[f(x)+g(x)] dx=∫f(x) dx+∫g(x) dx.\int [f(x) + g(x)] \, \mathrm{d} x = \int f(x) \, \mathrm{d} x + \int g(x) \, \mathrm{d} x.

性质 2​

设函数 f(x)f(x) 的原函数存在,kk 为非零常数,则

∫kf(x) dx=k∫f(x) dx.\int kf(x) \, \mathrm{d} x = k \int f(x) \, \mathrm{d} x.