第一类换元法(凑微分法)

第一类换元法是最常用的积分方法之一。

基本思想

步骤

  1. 识别被积函数中的复合函数部分
  2. 设 u=φ(x)u = \varphi(x),计算 du=φ′(x)dxdu = \varphi'(x) dx
  3. 将原积分转化为关于 uu 的积分
  4. 计算新积分,最后将 uu 换回 xx

例子

例子 1:∫xex2dx\int x e^{x^2} dx

解:

  • 设 u=x2u = x^2,则 du=2xdxdu = 2x dx
  • ∫xex2dx=12∫eudu=12eu+C=12ex2+C\int x e^{x^2} dx = \frac{1}{2}\int e^u du = \frac{1}{2}e^u + C = \frac{1}{2}e^{x^2} + C

例子 2:∫1xln⁡xdx\int \frac{1}{x \ln x} dx

解:

  • 设 u=ln⁡xu = \ln x,则 du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx
  • ∫1xln⁡xdx=∫1udu=ln⁡∣u∣+C=ln⁡∣ln⁡x∣+C\int \frac{1}{x \ln x} dx = \int \frac{1}{u} du = \ln|u| + C = \ln|\ln x| + C

例子 3:∫sin⁡(2x+1)dx\int \sin(2x + 1) dx

解:

  • 设 u=2x+1u = 2x + 1,则 du=2dxdu = 2 dx
  • ∫sin⁡(2x+1)dx=12∫sin⁡udu=−12cos⁡u+C=−12cos⁡(2x+1)+C\int \sin(2x + 1) dx = \frac{1}{2}\int \sin u du = -\frac{1}{2}\cos u + C = -\frac{1}{2}\cos(2x + 1) + C

练习题

练习 1

使用换元积分法计算 ∫xex2dx\int x e^{x^2} dx。

换元积分法不定积分

解题思路:使用第一类换元法。

详细步骤:

  1. 设 u=x2u = x^2,则 du=2xdxdu = 2x dx
  2. ∫xex2dx=12∫eudu=12eu+C=12ex2+C\int x e^{x^2} dx = \frac{1}{2}\int e^u du = \frac{1}{2}e^u + C = \frac{1}{2}e^{x^2} + C

最终答案:12ex2+C\frac{1}{2}e^{x^2} + C


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
∫\int数学符号integral sign积分运算符号
uu数学符号u换元法中的新变量
φ(x)\varphi(x)数学符号phi of x换元所用的内层函数
φ′(x)\varphi'(x)数学符号phi prime of x内层函数的导数
dudu数学符号differential of u新变量 uu 的微分
f(u)f(u)数学符号f of u以 uu 为变量的被积函数
CC数学符号constant of integration积分常数(任意常数)
ln⁡x\ln x数学符号natural logarithm of x自然对数函数
ex2e^{x^2}数学符号e to the x squared指数函数,被积函数
sin⁡(2x+1)\sin(2x+1)数学符号sine of two x plus one复合正弦函数

中英对照

中文术语英文术语音标说明
第一类换元法u-substitution/juː ˌsʌbstɪˈtjuːʃən/设 uu 为内层函数的换元法
凑微分法differential matching/ˌdɪfəˈrenʃəl ˈmætʃɪŋ/把被积表达式凑成某函数微分
复合函数composite function/ˈkɒmpəzɪt ˈfʌŋkʃən/函数套函数的组合
回代back substitution/bæk ˌsʌbstɪˈtjuːʃən/换元后恢复原变量
内层函数inner function/ˈɪnə ˈfʌŋkʃən/复合函数中靠内的函数

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