diff --git a/subjects/math/04_积分.md b/subjects/math/04_积分.md index c09b11a..7d097f5 100644 --- a/subjects/math/04_积分.md +++ b/subjects/math/04_积分.md @@ -265,6 +265,30 @@ $$ \int \cot x \, dx = \ln|\sin x| + C $$ +$$ +\int \sec x \, dx = \ln|\sec x + \tan x| + C +$$ + +$$ +\int \csc x \, dx = -\ln|\csc x + \cot x| + C +$$ + +$$ +\int \sec^2 x \, dx = \tan x + C +$$ + +$$ +\int \csc^2 x \, dx = -\cot x + C +$$ + +$$ +\int \sec x \tan x \, dx = \sec x + C +$$ + +$$ +\int \csc x \cot x \, dx = -\csc x + C +$$ + #### 万能代换 令 $t = \tan\frac{x}{2}$,则: @@ -285,6 +309,164 @@ $$ \int \cos^n x \, dx = \frac{\cos^{n-1} x \sin x}{n} + \frac{n-1}{n}\int \cos^{n-2} x \, dx $$ +#### 点火公式(Wallis 公式) + +利用 $\sin^n$ 递推公式在 $[0, \frac{\pi}{2}]$ 上积分,边界项为零: +$$ +J_n = \int_0^{\pi/2} \sin^n x \, dx = \frac{n-1}{n} J_{n-2} +$$ + +**递推过程**: +$$ +\begin{aligned} +J_n &= \int_0^{\pi/2} \sin^n x \, dx + = \left[-\frac{\sin^{n-1} x \cos x}{n}\right]_0^{\pi/2} + \frac{n-1}{n} J_{n-2} \\ + &= \frac{n-1}{n} J_{n-2} +\end{aligned} +$$ + +同理 $\displaystyle \int_0^{\pi/2} \cos^n x \, dx = J_n$(对称性)。 + +**点火链条**(初始条件 $J_0 = \frac{\pi}{2},\; J_1 = 1$): +$$ +\begin{aligned} +n \text{ 为偶数} &: \quad J_n = \frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-3}{n-2} \cdots \frac{1}{2} \cdot J_0 + = \frac{(n-1)!!}{n!!} \cdot \frac{\pi}{2} \\[4pt] +n \text{ 为奇数} &: \quad J_n = \frac{n-1}{n} \cdot \frac{n-3}{n-2} \cdots \frac{2}{3} \cdot J_1 + = \frac{(n-1)!!}{n!!} +\end{aligned} +$$ + +**记忆口诀**:"点火公式"即链条式递推,偶数多一个 $\frac{\pi}{2}$(引信),奇数直接出结果(哑火)。 + +常见值: +$$ +J_2 = \frac{\pi}{4},\quad J_3 = \frac{2}{3},\quad J_4 = \frac{3\pi}{16},\quad J_5 = \frac{8}{15} +$$ + +--- + +$$ +\int \sec^n x \, dx = \frac{\sec^{n-2} x \tan x}{n-1} + \frac{n-2}{n-1}\int \sec^{n-2} x \, dx \quad (n \neq 1) +$$ + +$$ +\int \csc^n x \, dx = -\frac{\csc^{n-2} x \cot x}{n-1} + \frac{n-2}{n-1}\int \csc^{n-2} x \, dx \quad (n \neq 1) +$$ + +**secⁿ 递推公式推导**(分部积分法): + +设 $I_n = \int \sec^n x \, dx$,改写为 $\int \sec^{n-2} x \cdot \sec^2 x \, dx$。 + +令 $u = \sec^{n-2} x$,$dv = \sec^2 x \, dx$,则: +$$ +du = (n-2)\sec^{n-2} x \tan x \, dx,\quad v = \tan x +$$ + +代入分部积分公式 $\int u \, dv = uv - \int v \, du$: +$$ +\begin{aligned} +I_n &= \sec^{n-2} x \tan x - \int \tan x \cdot (n-2)\sec^{n-2} x \tan x \, dx \\ + &= \sec^{n-2} x \tan x - (n-2)\int \sec^{n-2} x \tan^2 x \, dx +\end{aligned} +$$ + +利用 $\tan^2 x = \sec^2 x - 1$: +$$ +I_n = \sec^{n-2} x \tan x - (n-2)\int \sec^{n-2} x (\sec^2 x - 1) \, dx +$$ + +$$ +I_n = \sec^{n-2} x \tan x - (n-2) I_n + (n-2) I_{n-2} +$$ + +移项合并 $I_n$ 项: +$$ +(n-1) I_n = \sec^{n-2} x \tan x + (n-2) I_{n-2} +$$ + +$$ +\boxed{I_n = \frac{\sec^{n-2} x \tan x}{n-1} + \frac{n-2}{n-1} I_{n-2}} +$$ + +需要两个初始条件: +- $I_1 = \int \sec x \, dx = \ln|\sec x + \tan x| + C$ +- $I_2 = \int \sec^2 x \, dx = \tan x + C$ + +**cscⁿ 递推公式推导**类似,利用 $\cot^2 x = \csc^2 x - 1$。 + +--- + +#### 递推式的完全展开 + +递推公式重复代入即可展开为有限项和(初等函数的闭式表达)。 + +**sinⁿ / cosⁿ 的完全展开**(不定积分,设 \(I_n = \int \sin^n x \, dx\)): + +边界条件 \(I_0 = x + C,\; I_1 = -\cos x + C\) + +$$ +\begin{aligned} +I_n &= -\frac{\sin^{n-1} x \cos x}{n} + + \frac{n-1}{n} \left(-\frac{\sin^{n-3} x \cos x}{n-2}\right) + + \frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2} \left(-\frac{\sin^{n-5} x \cos x}{n-4}\right) + \cdots \\[4pt] + &= -\cos x \sum_{k=1}^{n} \frac{(n-1)!!}{(n-k)!!} \cdot \frac{\sin^{n-k} x}{(n-k+1)!!} \quad \text{(示意模式)} +\end{aligned} +$$ + +更清晰地,按奇偶展开: + +**\(n\) 为偶数**(\(n=2m\)): +$$ +\int \sin^{2m} x \, dx = -\cos x \sum_{k=1}^{m} \frac{(2m-1)(2m-3)\cdots(2m-2k+1)}{(2m-2)(2m-4)\cdots(2m-2k+2)} + \cdot \frac{\sin^{2m-2k+1} x}{2m-2k+1} + C_{2m} +$$ +其中 \(C_{2m}\) 为常数项(来自 \(I_0\))。 + +**\(n\) 为奇数**(\(n=2m+1\)): +$$ +\int \sin^{2m+1} x \, dx = -\cos x \sum_{k=1}^{m} \frac{(2m)(2m-2)\cdots(2m-2k+2)}{(2m-1)(2m-3)\cdots(2m-2k+1)} + \cdot \frac{\sin^{2m-2k+1} x}{2m-2k+2} + C_{2m+1} +$$ +其中 \(C_{2m+1}\) 来自 \(I_1 = -\cos x\) 项。 + +**实际记忆**:通常直接用递推公式比记忆展开式更实用,考试中一般只需求特定 \(n\) 的值或用到递推关系。 + +**secⁿ 的完全展开**(设 \(I_n = \int \sec^n x \, dx\)): + +递推式同样可展开,以奇数/偶数分界: + +**\(n\) 为偶数**(\(n=2m\),终止于 \(I_2 = \tan x + C\)): +$$ +I_{2m} = \sum_{k=1}^{m} \frac{(2m-2)(2m-4)\cdots(2m-2k+2)}{(2m-1)(2m-3)\cdots(2m-2k+1)} \cdot \frac{\sec^{2m-2k} x \tan x}{2m-2k+1} + C +$$ + +例如: +$$ +\begin{aligned} +I_2 &= \tan x + C \\[2pt] +I_4 &= \frac{1}{3}\sec^2 x \tan x + \frac{2}{3}\tan x + C \\[2pt] +I_6 &= \frac{1}{5}\sec^4 x \tan x + \frac{4}{15}\sec^2 x \tan x + \frac{8}{15}\tan x + C +\end{aligned} +$$ + +**\(n\) 为奇数**(\(n=2m+1\),终止于 \(I_1 = \ln|\sec x + \tan x| + C\)): +$$ +I_{2m+1} = \sum_{k=1}^{m} \frac{(2m-1)(2m-3)\cdots(2m-2k+1)}{(2m)(2m-2)\cdots(2m-2k+2)} \cdot \frac{\sec^{2m-2k+1} x \tan x}{2m-2k+2} + + \frac{(2m-1)!!}{(2m)!!} \ln|\sec x + \tan x| + C +$$ + +例如: +$$ +\begin{aligned} +I_1 &= \ln|\sec x + \tan x| + C \\[2pt] +I_3 &= \frac{1}{2}\sec x \tan x + \frac{1}{2}\ln|\sec x + \tan x| + C \\[2pt] +I_5 &= \frac{1}{4}\sec^3 x \tan x + \frac{3}{8}\sec x \tan x + \frac{3}{8}\ln|\sec x + \tan x| + C +\end{aligned} +$$ + +--- + #### 积化和差 $$