postgraduate-prep/subjects/math/04_积分.md

笔记记录

要点 01 - 积分与极限求和式的转化

根据公式

\int_a^b f(x)dx = \lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n f(x_i)\Delta x

对于均匀矩形分割的情况，实际上只用分离出 \frac{1}{n}

\int_a^b f(x)dx = \lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n f\left(a + \frac{(b-a) i}{n}\right) \frac{b-a}{n}

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要点 02 - 分式型积分

基本公式

\int \frac{dx}{x^2 + a^2} = \frac{1}{a} \arctan \frac{x}{a} + C \quad (a > 0)

推导（换元法）：令 $x = a \tan t$，则 dx = a \sec^2 t \, dt

\int \frac{dx}{x^2 + a^2} = \int \frac{a \sec^2 t}{a^2 + a^2 \tan^2 t} \, dt

= \int \frac{a \sec^2 t}{a^2 \sec^2 t} \, dt

= \int \frac{dt}{a}

= \frac{t}{a} + C

= \frac{1}{a} \arctan \frac{x}{a} + C

推广形式

\int \frac{dx}{x^2 + a^2} = \frac{1}{a} \arctan \frac{x}{a} + C

\int \frac{dx}{b^2 + (x + c)^2} = \frac{1}{b} \arctan \frac{x + c}{b} + C

\int \frac{x \, dx}{x^2 + a^2} = \frac{1}{2} \ln(x^2 + a^2) + C

\int \frac{dx}{(x^2 + a^2)^2} = \frac{x}{2a^2(x^2 + a^2)} + \frac{1}{2a^3} \arctan \frac{x}{a} + C

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要点 03 - 根号分式型积分

基本公式

\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \ln\left|x + \sqrt{x^2 + a^2}\right| + C

\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \operatorname{arsinh} \frac{x}{a} + C

\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 - a^2}} = \ln\left|x + \sqrt{x^2 - a^2}\right| + C \quad (|x| > |a|)

\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 - a^2}} = \operatorname{arcosh} \frac{x}{a} + C \quad (|x| > |a|)

\int \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}} = \arcsin \frac{x}{a} + C \quad (|x| < |a|)

\int \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}} = -\arccos \frac{x}{a} + C \quad (|x| < |a|)

推导方法

\begin{align}
\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}}
    &= \int \frac{a \cosh t}{a \cosh t} \, dt && (x = a \sinh t) \\
    &= \int dt \\
    &= t + C \\
    &= \ln\left|x + \sqrt{x^2 + a^2}\right| + C
\end{align}

\begin{align}
\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 - a^2}}
    &= \int \frac{a \sinh t}{a \sinh t} \, dt && (x = a \cosh t) \\
    &= \int dt \\
    &= t + C \\
    &= \ln\left|x + \sqrt{x^2 - a^2}\right| + C
\end{align}

\begin{align}
\int \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}}
    &= \int \frac{a \cos t}{a \cos t} \, dt && (x = a \sin t) \\
    &= \int dt \\
    &= t + C \\
    &= \arcsin \frac{x}{a} + C
\end{align}

等效形式

\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 - a^2}} = \ln\left|\frac{x}{a} + \sqrt{\frac{x^2}{a^2} - 1}\right| + C

推广形式

\int \frac{dx}{\sqrt{(x + b)^2 + a^2}} = \ln\left|x + b + \sqrt{(x + b)^2 + a^2}\right| + C

\int \frac{dx}{\sqrt{(x + b)^2 - a^2}} = \ln\left|x + b + \sqrt{(x + b)^2 - a^2}\right| + C \quad (|x + b| > |a|)

\int \frac{x \, dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \sqrt{x^2 + a^2} + C

\int \frac{x \, dx}{\sqrt{x^2 - a^2}} = \sqrt{x^2 - a^2} + C

\int \sqrt{x^2 + a^2} \, dx = \frac{x}{2}\sqrt{x^2 + a^2} + \frac{a^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 + a^2}\right| + C

\int \sqrt{x^2 - a^2} \, dx = \frac{x}{2}\sqrt{x^2 - a^2} - \frac{a^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 - a^2}\right| + C

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要点 04 - 根号二次型积分

基本公式

\int \sqrt{x^2 + a^2} \, dx = \frac{x}{2}\sqrt{x^2 + a^2} + \frac{a^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 + a^2}\right| + C

\int \sqrt{x^2 - a^2} \, dx = \frac{x}{2}\sqrt{x^2 - a^2} - \frac{a^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 - a^2}\right| + C \quad (|x| > |a|)

\int \sqrt{a^2 - x^2} \, dx = \frac{x}{2}\sqrt{a^2 - x^2} + \frac{a^2}{2}\arcsin\frac{x}{a} + C \quad (|x| < |a|)

推导方法

\begin{align}
\int \sqrt{x^2 + a^2} \, dx
    &= \int a \cosh t \cdot a \cosh t \, dt = a^2 \int \cosh^2 t \, dt && (x = a \sinh t) \\
    &= a^2 \int \frac{\cosh 2t + 1}{2} \, dt = \frac{a^2}{2}\left(\frac{\sinh 2t}{2} + t\right) + C \\
    &= \frac{a^2}{2}(\sinh t \cosh t + t) + C \\
    &= \frac{x}{2}\sqrt{x^2 + a^2} + \frac{a^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 + a^2}\right| + C
\end{align}

\begin{align}
\int \sqrt{x^2 - a^2} \, dx
    &= \int a \sinh t \cdot a \sinh t \, dt = a^2 \int \sinh^2 t \, dt && (x = a \cosh t) \\
    &= a^2 \int \frac{\cosh 2t - 1}{2} \, dt = \frac{a^2}{2}\left(\frac{\sinh 2t}{2} - t\right) + C \\
    &= \frac{a^2}{2}(\sinh t \cosh t - t) + C \\
    &= \frac{x}{2}\sqrt{x^2 - a^2} - \frac{a^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 - a^2}\right| + C
\end{align}

\begin{align}
\int \sqrt{a^2 - x^2} \, dx
    &= \int a \cos t \cdot a \cos t \, dt = a^2 \int \cos^2 t \, dt && (x = a \sin t) \\
    &= \frac{a^2}{2}\left(t + \frac{\sin 2t}{2}\right) + C \\
    &= \frac{x}{2}\sqrt{a^2 - x^2} + \frac{a^2}{2}\arcsin\frac{x}{a} + C
\end{align}

推广形式

\int (x + b)\sqrt{x^2 + a^2} \, dx = \frac{1}{3}(x + b)(x^2 + a^2)^{3/2} - \frac{b}{2}x\sqrt{x^2 + a^2} - \frac{ab^2}{2}\ln\left|x + \sqrt{x^2 + a^2}\right| + C

\int x\sqrt{x^2 + a^2} \, dx = \frac{1}{3}(x^2 + a^2)^{3/2} + C

\int x\sqrt{x^2 - a^2} \, dx = \frac{1}{3}(x^2 - a^2)^{3/2} + C

\int x\sqrt{a^2 - x^2} \, dx = -\frac{1}{3}(a^2 - x^2)^{3/2} + C

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要点 05 - 三角函数积分

降幂公式

\sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}{2}

\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}

\sin^3 x = \frac{3\sin x - \sin 3x}{4}

\cos^3 x = \frac{3\cos x + \cos 3x}{4}

基本积分

\int \sin x \, dx = -\cos x + C

\int \cos x \, dx = \sin x + C

\int \tan x \, dx = -\ln|\cos x| + C

\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：

\sin x = \frac{2t}{1 + t^2}, \quad \cos x = \frac{1 - t^2}{1 + t^2}, \quad dx = \frac{2 \, dt}{1 + t^2}

适用类型：$R(\sin x, \cos x)$（有理函数形式）

常用结论

\int \sin^n x \, dx = -\frac{\sin^{n-1} x \cos x}{n} + \frac{n-1}{n}\int \sin^{n-2} x \, dx

\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}

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\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 $\cot^2 x = \csc^2 x - 1$。

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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}

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积化和差

\sin A \cos B = \frac{1}{2}\sin(A+B) + \frac{1}{2}\sin(A-B)

\cos A \cos B = \frac{1}{2}\cos(A+B) + \frac{1}{2}\cos(A-B)

\sin A \sin B = \frac{1}{2}\cos(A-B) - \frac{1}{2}\cos(A+B)

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要点 06 - 换元积分法

第一类换元法（凑微分法）

若 $\int f(u) , du = F(u) + C$，u = \varphi(x) 可微，则：

\int f[\varphi(x)] \, \varphi'(x) \, dx = \int f(u) \, du = F(u) + C = F[\varphi(x)] + C

核心思想：将被积函数中一部分"凑"成某个函数的导数，令其为一个新变量。

常见凑微分形式：

类型	凑微分	令 u
\int f(ax+b) \, dx	\displaystyle\frac{1}{a} \int f(ax+b) \, d(ax+b)	u = ax+b
\int f(x^n) \cdot x^{n-1} \, dx	\displaystyle\frac{1}{n} \int f(x^n) \, d(x^n)	u = x^n
\int f(\sin x) \cos x \, dx	\displaystyle\int f(\sin x) \, d(\sin x)	u = \sin x
\int f(\cos x) \sin x \, dx	\displaystyle-\int f(\cos x) \, d(\cos x)	u = \cos x
\int f(\tan x) \sec^2 x \, dx	\displaystyle\int f(\tan x) \, d(\tan x)	u = \tan x
\int f(e^x) e^x \, dx	\displaystyle\int f(e^x) \, d(e^x)	u = e^x
\int f(\ln x) \frac{1}{x} \, dx	\displaystyle\int f(\ln x) \, d(\ln x)	u = \ln x
\int f(\arcsin x) \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}	\displaystyle\int f(\arcsin x) \, d(\arcsin x)	u = \arcsin x
\int f(\arctan x) \frac{dx}{1+x^2}	\displaystyle\int f(\arctan x) \, d(\arctan x)	u = \arctan x

示例：

\int \frac{dx}{x \ln x} = \int \frac{d(\ln x)}{\ln x} = \ln|\ln x| + C

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第二类换元法（变量代换法）

令 $x = \psi(t)$，其中 \psi(t) 单调可导且 $\psi'(t) \neq 0$，则：

\int f(x) \, dx = \int f[\psi(t)] \, \psi'(t) \, dt

常用代换类型：

1. 三角代换

被积函数含	代换	适用区间	微元
\sqrt{a^2 - x^2}	x = a \sin t	\displaystyle[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}]	dx = a \cos t \, dt
\sqrt{a^2 + x^2}	x = a \tan t	\displaystyle(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2})	dx = a \sec^2 t \, dt
\sqrt{x^2 - a^2}	x = a \sec t	\displaystyle[0, \frac{\pi}{2}) \cup (\frac{\pi}{2}, \pi]	dx = a \sec t \tan t \, dt

2. 双曲函数代换

被积函数含	代换	微元
\sqrt{a^2 + x^2}	x = a \sinh t	dx = a \cosh t \, dt
\sqrt{x^2 - a^2}	x = a \cosh t	dx = a \sinh t \, dt

双曲函数代换优势：无需分类讨论符号，计算更简洁。

3. 根式代换

令 $t = \sqrt[n]{ax + b}$，则 $x = \dfrac{t^n - b}{a}$，dx = \dfrac{n t^{n-1}}{a} \, dt

适用类型：\displaystyle\int R(x, \sqrt[n]{ax+b}) \, dx

4. 倒代换

令 $x = \dfrac{1}{t}$，则 dx = -\dfrac{1}{t^2} \, dt

适用类型：分母次数比分子次数高较多时（通常差 2 次以上）

5. 指数代换

令 $t = e^x$，则 $x = \ln t$，dx = \dfrac{dt}{t}

适用类型：\displaystyle\int R(e^x) \, dx

6. 万能代换

令 $t = \tan\dfrac{x}{2}$，则：

\sin x = \frac{2t}{1+t^2}, \quad \cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2}, \quad dx = \frac{2}{1+t^2} \, dt

适用类型：R(\sin x, \cos x) 有理函数形式（已在要点 05 中列出）

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两类换元法对比

对比项	第一类换元法（凑微分）	第二类换元法（变量代换）
本质	$u = \varphi(x)$，从 x 到 u	$x = \psi(t)$，从 x 到 t
适用场景	被积函数中有"导数因子"	被积函数含根式、复杂表达式
操作难度	较简单，需观察导数关系	较复杂，需选择合适的代换
常见类型	凑微分表	三角/双曲/根式/倒代换

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要点 07 - 分部积分法

基本公式

由乘法求导法则 (uv)' = u'v + uv' 两边积分得：

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

或写作：

\int u(x) v'(x) \, dx = u(x) v(x) - \int v(x) u'(x) \, dx

核心思想：将被积函数分为两部分 u 和 $dv$，通过公式将不易直接积分的部分转化为更易积分的形式。

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选择 u 和 dv 的原则

关键：u 应使导数变简单，dv 应易于积分。

LIATE 优先序（反-对-幂-三-指）

按以下顺序选择 $u$（优先级从高到低）：

类别	英文	示例
L - 反三角函数	Logarithmic inverse	\arcsin x, \arctan x
I - 对数函数	Inverse trigonometric	\ln x, \log_a x
A - 幂函数	Algebraic	x^n, ax+b
T - 三角函数	Trigonometric	\sin x, \cos x, \sec^2 x
E - 指数函数	Exponential	e^x, a^x

规则：排名靠前的选为 $u$，靠后的选为 $dv$。

示例：

\int x e^x \, dx \quad \Longrightarrow \quad u = x,\; dv = e^x \, dx

\int x \ln x \, dx \quad \Longrightarrow \quad u = \ln x,\; dv = x \, dx

\int e^x \sin x \, dx \quad \Longrightarrow \quad u = \sin x,\; dv = e^x \, dx \text{（指数和三角函数任选其一）}

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常见类型与技巧

类型 1：幂函数 \times 指数/三角函数（u 取幂函数）

\int x^n e^{ax} \, dx,\quad \int x^n \sin(ax) \, dx,\quad \int x^n \cos(ax) \, dx

令 $u = x^n$，$dv = e^{ax} , dx$（或 $\sin(ax) , dx$、$\cos(ax) , dx$），需多次分部直至幂次降为 $0$。

类型 2：幂函数 \times 对数/反三角（u 取对数/反三角）

\int x^n \ln x \, dx,\quad \int x^n \arcsin x \, dx,\quad \int x^n \arctan x \, dx

令 $u = \ln x$（或 $\arcsin x$、$\arctan x$），$dv = x^n , dx$，一次分部即可消去对数/反三角。

类型 3：指数 \times 三角函数（循环分部）

\int e^{ax} \sin(bx) \, dx,\quad \int e^{ax} \cos(bx) \, dx

任选其一为 $u$，两次分部后出现原积分，移项求解。

示例：

\begin{align}
I &= \int e^{ax} \sin(bx) \, dx \\
  &= -\frac{e^{ax} \cos(bx)}{b} + \frac{a}{b} \int e^{ax} \cos(bx) \, dx \\
  &= -\frac{e^{ax} \cos(bx)}{b} + \frac{a}{b}\left(\frac{e^{ax} \sin(bx)}{b} - \frac{a}{b} I\right) \\
  &\Rightarrow I = \frac{e^{ax}(a \sin(bx) - b \cos(bx))}{a^2 + b^2} + C
\end{align}

类型 4：单独一个函数

\int \ln x \, dx,\quad \int \arcsin x \, dx,\quad \int \arctan x \, dx

令 $u = \ln x$（或 $\arcsin x$、$\arctan x$），$dv = dx$（凑出 1 作为 $dv$）。

示例：

\int \ln x \, dx = x \ln x - \int x \cdot \frac{1}{x} \, dx = x \ln x - x + C

类型 5：分部与换元结合

先换元化简，再分部积分。常见于被积函数含复合结构时。

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分部积分法推广公式

反复应用分部积分法则可得：

\int u v^{(n+1)} \, dx = u v^{(n)} - u' v^{(n-1)} + u'' v^{(n-2)} - \cdots + (-1)^{n+1} \int u^{(n+1)} v \, dx

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要点 08 - 有理分式积分

基本概念

有理分式：两个多项式的比 \dfrac{P(x)}{Q(x)}

真分式：分子次数 < 分母次数

假分式：分子次数 \geq 分母次数，需先化为多项式 + 真分式

部分分式分解法

将真分式分解为若干简单分式之和：

1. 分母仅有线性因子

若分母可分解为 $(x-a_1)^{m_1}(x-a_2)^{m_2}\cdots$，则：

\frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{A_1}{x-a_1} + \frac{A_2}{(x-a_1)^2} + \cdots + \frac{A_{m_1}}{(x-a_1)^{m_1}} + \frac{B_1}{x-a_2} + \cdots

2. 分母含二次因子

若分母含不可约二次因子 $x^2+px+q$，则对应项为：

\frac{Ax+B}{x^2+px+q}, \quad \frac{Ax+B}{(x^2+px+q)^n}

常见积分类型

类型 1：一次因子

\int \frac{dx}{x-a} = \ln|x-a| + C

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

类型 2：二次质因子

配方后分项积分：

\int \frac{x}{x^2+px+q} \, dx = \frac{1}{2}\ln(x^2+px+q) - \frac{p}{2}\int \frac{dx}{x^2+px+q}

对于 $\displaystyle\int \frac{dx}{x^2+px+q}$，配方：

x^2+px+q = \left(x+\frac{p}{2}\right)^2 + \left(q-\frac{p^2}{4}\right)

则：

\int \frac{dx}{x^2+px+q} = \frac{2}{\sqrt{4q-p^2}} \arctan \frac{2x+p}{\sqrt{4q-p^2}} + C \quad (4q > p^2)

类型 3：二次因子幂次

\int \frac{dx}{(x^2+a^2)^n} = \frac{x}{2a^2(n-1)(x^2+a^2)^{n-1}} + \frac{2n-3}{2a^2(n-1)}\int \frac{dx}{(x^2+a^2)^{n-1}}

特别地，当 n=2 时：

\int \frac{dx}{(x^2+a^2)^2} = \frac{x}{2a^2(x^2+a^2)} + \frac{1}{2a^3}\arctan\frac{x}{a} + C

积分步骤总结

1. 化简：假分式化为多项式 + 真分式
2. 分解：对分母因式分解，写出部分分式形式
3. 待定系数：比较系数或代值法求系数
4. 积分：逐项积分

示例

例：求 \displaystyle\int \frac{x+3}{x^2-5x+6} \, dx

解：分母因式分解 x^2-5x+6 = (x-2)(x-3)

设 \displaystyle\frac{x+3}{(x-2)(x-3)} = \frac{A}{x-2} + \frac{B}{x-3}

则 x+3 = A(x-3) + B(x-2) = (A+B)x - (3A+2B)

比较系数：\begin{cases} A+B=1 \\ 3A+2B=-3 \end{cases} \Rightarrow A=-5, B=6

故 \displaystyle\int \frac{x+3}{x^2-5x+6} \, dx = \int\left(\frac{-5}{x-2} + \frac{6}{x-3}\right)dx = -5\ln|x-2| + 6\ln|x-3| + C

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知识点

• 定积分的定义
• 黎曼和与积分的关系
• 均匀分割技巧
• \frac{1}{x^2 + a^2} 型积分公式
• \frac{1}{\sqrt{x^2 \pm a^2}} 型积分公式
• \sqrt{x^2 \pm a^2} 型积分公式
• 三角函数积分（降幂、万能代换、积化和差）
• 第一类换元法（凑微分法）
• 第二类换元法（变量代换法：三角/双曲/根式/倒代换）
• 分部积分法（LIATE 优先序）
• 循环分部与移项求解
• 有理分式积分（部分分式分解法）