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课程库 › Calculus 2 › S4 · Integral Calculus › 第 1 课

换元积分法 —— 链式法则倒着走

普通课约 40 分钟

本课导读

欢迎来到 S4 · Integral Calculus。解微分方程时(S5 的分离变量、积分因子),最后一步永远是一句轻描淡写的"两边积分"——真正的功夫全藏在这一步里。S4 这个单元就是把"两边积分"背后的手艺逐一擦亮:换元、三角变形、分部、配方、部分分式。如果你已经刷完 S5/S6,这里就是回来清"技术债"的地方;如果你按编号顺序走到这,那这些手艺马上就要在 S5 派上大用场。

第一件兵器,也是使用频率最高的一件:换元法。它的本质一句话讲完——链式法则倒着走。预计 40 分钟。

说明

前置工具箱(本课会用到的已学内容,只列不教):基本求导表(反着读就是积分表);链式法则;微分记号 du=u′(x) dxdu = u'(x)\,dx。手生了就点开 30 秒回顾。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 求导表倒着读 = 积分表:(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos x、(ex)′=ex(e^x)' = e^x、(xn+1n+1)′=xn\left(\frac{x^{n+1}}{n+1}\right)' = x^n、(ln⁡x)′=1x(\ln x)' = \frac{1}{x}。微例:∫cos⁡x dx=sin⁡x+C\int \cos x\,dx = \sin x + C——积分就是在问"谁求导等于它?"。⚠️ 翻车点:∫dxx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{dx}{x} = \ln|x| + C 的绝对值总被忘;+C+C 丢了扣分没商量。

② 链式法则:[f(g(x))]′=f′(g(x))⋅g′(x)[f(g(x))]' = f'(g(x))\cdot g'(x)。微例:(sin⁡(x2))′=cos⁡(x2)⋅2x(\sin(x^2))' = \cos(x^2)\cdot 2x——本课例题 1 就是它从右往左走。⚠️ 翻车点:忘乘内层导数 g′(x)g'(x)。

③ 微分记号:du=u′(x) dxdu = u'(x)\,dx。微例:u=x2u = x^2 时 du=2x dxdu = 2x\,dx,于是 x dx=12dux\,dx = \tfrac{1}{2}du——例题 2 马上原样用。⚠️ 翻车点:写成 du=u′(x)du = u'(x) 丢掉 dxdx,换元时账就对不上了。

积分为什么比求导难

求导是流水线:任何初等函数,套规则必出答案。积分是侦探活:没有万能规则,只有一套"作案手法识别指南"。好消息是,指南的每一条都来自求导规则的倒放——

求导规则倒着走在哪学
链式法则换元积分法本课
乘积法则分部积分法第 3 课

链式法则说 [F(g(x))]′=F′(g(x)) g′(x)[F(g(x))]' = F'(g(x))\,g'(x)。两边积分,立刻得到本课的总纲:

∫F′(g(x)) g′(x) dx=F(g(x))+C\int F'(g(x))\,g'(x)\,dx = F(g(x)) + C

翻译成人话:只要被积函数长成「外层函数(内层) × 内层的导数」,答案直接写出来。换元法就是把这个结构认出来的流程。

第一式:凑微分 —— 认出 du

例题 1:求 ∫2xcos⁡(x2) dx\displaystyle\int 2x\cos(x^2)\,dx。

侦查:cos⁡( ⋅ )\cos(\,\cdot\,) 里坐着 x2x^2,而它的导数 2x2x 恰好就站在旁边(🔧 工具箱 ②:这正是链式法则的产物特征)。

令 u=x2u = x^2,则 du=2x dxdu = 2x\,dx,整个积分完成变身:

∫cos⁡(x2)⏟u 2x dx⏟du=∫cos⁡u du=sin⁡u+C=sin⁡(x2)+C\int \cos\underbrace{(x^2)}_{u}\ \underbrace{2x\,dx}_{du} = \int \cos u\,du = \sin u + C = \sin(x^2) + C

提示

验算只要 3 秒:把答案求导,(sin⁡(x2))′=2xcos⁡(x2)(\sin(x^2))' = 2x\cos(x^2),回到被积函数才准离开。求导是流水线,积分是侦探活——用流水线检查侦探的结论,稳赚不赔。

例题 2(差常数因子的标准操作):求 ∫x ex2 dx\displaystyle\int x\,e^{x^2}\,dx。

令 u=x2u = x^2,du=2x dxdu = 2x\,dx。但被积函数里只有 x dxx\,dx,缺个 2——不慌,微分记号自己会算账(🔧 工具箱 ③):x dx=12 dux\,dx = \tfrac{1}{2}\,du,于是

∫ex2 x dx=12∫eu du=12ex2+C\int e^{x^2}\,x\,dx = \frac{1}{2}\int e^u\,du = \frac{1}{2}e^{x^2} + C

注意

常数因子可以自由进出积分号,含 xx 的因子不行。∫x ex2dx\int x\,e^{x^2}dx 能救是因为只差常数 22;而 ∫ex2dx\int e^{x^2}dx 缺的是一整个因子 xx——它彻底没救,这个积分真的没有初等原函数(不是你不会做,是数学证明了写不出来)。

凑微分速查表(左边是你看到的,右边是你该想到的):

看到想到
x dxx\,dx12 d(x2)\tfrac{1}{2}\,d(x^2)
ex dxe^x\,dxd(ex)d(e^x)
dxx\dfrac{dx}{x}d(ln⁡∣x∣)d(\ln\lvert x\rvert)
cos⁡x dx\cos x\,dxd(sin⁡x)d(\sin x)
sin⁡x dx\sin x\,dx− d(cos⁡x)-\,d(\cos x)
sec⁡2x dx\sec^2 x\,dxd(tan⁡x)d(\tan x)
dxdx1a d(ax+b)\tfrac{1}{a}\,d(ax+b)

例题 3(一个值得记住的结论):求 ∫tan⁡x dx\displaystyle\int \tan x\,dx。

∫tan⁡x dx=∫sin⁡xcos⁡x dx  =u=cos⁡x, du=−sin⁡x dx  ∫−duu=−ln⁡∣u∣+C=−ln⁡∣cos⁡x∣+C\int \tan x\,dx = \int \frac{\sin x}{\cos x}\,dx \;\xlongequal{u = \cos x,\ du = -\sin x\,dx}\; \int \frac{-du}{u} = -\ln|u| + C = -\ln|\cos x| + C

分子恰好(差个负号)是分母的导数——这种 f′(x)f(x)\dfrac{f'(x)}{f(x)} 结构一律积成 ln⁡∣f(x)∣\ln|f(x)|,第 6 课的有理函数流水线上它是主力工人。

换元五步流程

凑微分熟练后可以心算,但写全 uu 的版本永远是保底流程:

  1. 选 uu(通常选"括号里的""根号下的""指数上的""分母里的")
  2. 算 du=u′(x) dxdu = u'(x)\,dx
  3. 全替换——把积分式里每个 xx 都换掉
  4. 积分(此时应是查表就会的形状;不是就回第 1 步换人)
  5. 回代,把 uu 换回 xx 的表达式

注意

第 3 步是红线:替换完的积分式里一个 xx 都不能剩。xx 和 uu 混住在同一个积分号里的式子不是数学——那是案发现场。

定积分换元:换元就换限

例题 4:求 ∫01x1−x2 dx\displaystyle\int_0^1 x\sqrt{1-x^2}\,dx。

令 u=1−x2u = 1 - x^2,du=−2x dxdu = -2x\,dx,即 x dx=−12dux\,dx = -\tfrac{1}{2}du。积分限跟着换:x=0⇒u=1x=0 \Rightarrow u=1,x=1⇒u=0x=1 \Rightarrow u=0。

∫011−x2  x dx=−12∫10u du=12∫01u1/2 du=12⋅23=13\int_0^1 \sqrt{1-x^2}\;x\,dx = -\frac{1}{2}\int_1^0 \sqrt{u}\,du = \frac{1}{2}\int_0^1 u^{1/2}\,du = \frac{1}{2}\cdot\frac{2}{3} = \frac{1}{3}

上下限颠倒时交换上下限、积分变号——恰好把前面的负号吃掉,这在 u=a−x2u = a - x^2 型换元里几乎每次都发生。

提示

定积分换元有两条合法路线:换限(推荐,全程不用回代)或先算不定积分、回代成 xx 后再用原限。混搭是唯一的死法:换了元却套原限,等于用摄氏度的数字读华氏温度计。

第二式:主动换元 —— x 自己上桌

凑微分是"被动认结构";有时结构藏得深,要主动引入新变量把它挖出来。最常见的场景是根式。

例题 5:求 ∫dx1+x\displaystyle\int \frac{dx}{1+\sqrt{x}}。

根号最碍事,那就让它消失:令 t=xt = \sqrt{x},即 x=t2x = t^2,dx=2t dtdx = 2t\,dt:

∫2t dt1+t=2∫(1+t)−11+t dt=2∫(1−11+t)dt=2t−2ln⁡(1+t)+C\int \frac{2t\,dt}{1+t} = 2\int \frac{(1+t)-1}{1+t}\,dt = 2\int \left(1 - \frac{1}{1+t}\right)dt = 2t - 2\ln(1+t) + C

回代 t=xt = \sqrt{x}:  2x−2ln⁡(1+x)+C\;2\sqrt{x} - 2\ln(1+\sqrt{x}) + C。(1+x>01+\sqrt{x} > 0,绝对值可以光明正大省略。)

这类"设 x=x = 某个 tt 的函数"的换元还有个著名分支——三角换元(x=asin⁡θx = a\sin\theta 之类)。本单元用第 4 课的配方法 + 标准公式覆盖最常见的需求,三角换元的全家桶留给以后扩编。

✍️ 练习

逐题先自己动手,再开答案。

1. ∫ln⁡xx dx\displaystyle\int \frac{\ln x}{x}\,dx

✅ 参考答案

u=ln⁡xu = \ln x,du=dxxdu = \dfrac{dx}{x}——被积函数正好是 u duu\,du:

∫u du=u22+C=(ln⁡x)22+C\int u\,du = \frac{u^2}{2} + C = \frac{(\ln x)^2}{2} + C

2. ∫x21+x3 dx\displaystyle\int \frac{x^2}{1+x^3}\,dx

✅ 参考答案

u=1+x3u = 1+x^3,du=3x2 dxdu = 3x^2\,dx,即 x2 dx=13dux^2\,dx = \tfrac{1}{3}du:

13∫duu=13ln⁡∣1+x3∣+C\frac{1}{3}\int \frac{du}{u} = \frac{1}{3}\ln|1+x^3| + C

分子是分母导数的 13\tfrac{1}{3} 倍——又是 f′f\frac{f'}{f} 结构。

3. ∫dxxln⁡x\displaystyle\int \frac{dx}{x\ln x}

✅ 参考答案

u=ln⁡xu = \ln x,du=dxxdu = \dfrac{dx}{x}:

∫duu=ln⁡∣u∣+C=ln⁡∣ln⁡x∣+C\int \frac{du}{u} = \ln|u| + C = \ln|\ln x| + C

套娃对数不是笔误,就长这样。

4. ∫01x ex2 dx\displaystyle\int_0^1 x\,e^{x^2}\,dx

✅ 参考答案

u=x2u = x^2,x dx=12dux\,dx = \tfrac{1}{2}du;换限:x ⁣:0→1  ⇒  u ⁣:0→1x\colon 0\to 1 \;\Rightarrow\; u\colon 0\to 1:

12∫01eu du=12(e−1)\frac{1}{2}\int_0^1 e^u\,du = \frac{1}{2}(e - 1)

这题限恰好没变——但那是算出来的,不是默认的。

5.(思考题)为什么 ∫ex2 dx\displaystyle\int e^{x^2}\,dx 换元救不了?

✅ 参考答案

u=x2u = x^2 要求场上有 2x dx2x\,dx,但被积函数只有 dxdx。硬换的话 dx=du2udx = \dfrac{du}{2\sqrt{u}},得到 12∫euu du\displaystyle\frac{1}{2}\int \frac{e^u}{\sqrt{u}}\,du——不但没简化,还是同一难度的换皮。事实上数学已证明 ex2e^{x^2} 的原函数无法用初等函数表示(刘维尔定理),它的近亲 e−x2e^{-x^2} 在概率论里重要到人们直接给原函数发了新名字(误差函数 erf⁡\operatorname{erf})。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. 要计算 $\int x^3\sqrt{x^4+1}\,dx$,最顺手的换元是?

2. 计算 $\int x\,e^{x^2}\,dx$ 时 $du = 2x\,dx$,但被积函数里只有 $x\,dx$,正确处理是?

3. 定积分 $\int_0^1 x\sqrt{1-x^2}\,dx$ 令 $u = 1-x^2$ 换元后,u 的积分限是?

4. $\int \tan x\,dx = $ ?

5. 下列哪个积分没有初等原函数(换元也救不了)?

本课小结

  • 积分是求导的倒放:换元法 = 链式法则倒着走,专认「外层(内层) × 内层导数」结构
  • 凑微分:差常数因子随便补(x dx=12d(x2)x\,dx = \tfrac{1}{2}d(x^2)),差含 xx 的因子没得救
  • f′(x)f(x)\dfrac{f'(x)}{f(x)} 结构一律积成 ln⁡∣f(x)∣+C\ln|f(x)| + C——记住 ∫tan⁡x dx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C\int\tan x\,dx = -\ln|\cos x| + C
  • 五步流程的红线:替换完一个 xx 都不能剩;定积分换元就换限(或老实回代后用原限,不许混搭)
  • 根式碍事就主动换元让它消失(t=xt = \sqrt{x})
  • 验算 3 秒:答案求导,回到被积函数才准走

下一课处理另一类"长相不对"的被积函数:sin⁡2x\sin^2 x、sin⁡3xcos⁡2x\sin^3 x\cos^2 x 这些三角幂次——积分技巧都认识它们,就是得先用三角恒等变换给它们整个容。

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