第3章 · 一元函数积分学

微积分的“累积”面 · 贯穿全卷的计算命脉
范围已核实:本章内容严格限定在考研数学(二)大纲(科目代码 302)范围内,已剔除数二不考内容。满分 150,高数约占 80%,线代约占 20%。
📌 本章在数二中的定位:不定积分(换元/分部/有理/三角)、定积分(定义/性质/变上限积分/牛顿-莱布尼茨)、反常积分、定积分应用(面积/体积/弧长/物理)。数二不考:三重/曲线/曲面积分、级数。

🗺️本章知识地图

微分学的逆运算就是积分学。不定积分找原函数,定积分做“无限细分求和”,两者由牛顿-莱布尼茨公式神奇地连起来。

1不定积分:寻找原函数 核心工具

积分计算是后面定积分、微分方程、二重积分的地基。换元与分部是两大支柱。

原函数与基本积分表 必背

💡 秒懂:若 F'=f,则 F 是 f 的原函数;不定积分 ∫f 就是“所有原函数 + C”。
$\int f(x)dx=F(x)+C$,其中 $F'=f$。基本表:$\int x^a dx=\frac{x^{a+1}}{a+1}+C(a\ne-1),\ \int\frac1x dx=\ln|x|+C,\ \int e^x dx=e^x+C,\ \int\sin x dx=−\cos x+C,\ \int\cos x dx=\sin x+C,\ \int\frac1{1+x^2}dx=\arctan x+C$。
🔑 求导表倒过来背就是积分表。

换元积分法 核心

💡 秒懂:第一类换元(凑微分):把式子凑成某个函数的微分;第二类换元:用新变量代换(三角代换去根号等)。
第一类:$\int f(g(x))g'(x)dx=\int f(u)du$(u=g(x))。第二类:x=φ(t),dx=φ'(t)dt,常用于 √(a²−x²)→x=asint,√(a²+x²)→x=atant。
🔑 “凑微分”最关键:看到 dx 想能不能写成 d(某式)。

分部积分法 核心

💡 秒懂:谁先谁后有口诀:“反对幂指三”——反三角、对数优先放前面(u),其余放后面(dv)。
$\int u\,dv=uv-\int v\,du$。典型:∫xⁿe^x、∫xⁿlnx、∫xⁿsinx、∫e^x sinx(循环型)。
🔑 口诀:反对幂指三,前者作 u。

有理函数与三角积分 重点

💡 秒懂:有理分式先拆成部分分式(像把大块掰小);三角积分用倍角、万能代换化简。
有理函数:分子分母因式分解后拆成 A/(x-a)+B/(x-a)²+…+(Mx+N)/(x²+px+q)。三角:sin^m cos^n 用倍角或凑微分;万能代换 t=tan(x/2) 可统一化有理式。
⚠️ 数二考得基础,掌握拆项与常见三角积分即可。
例题:求 $\int x e^{x^2} dx$。
凑微分
思路:x dx = ½ d(x²)。
原式=½∫ e^{x²} d(x²)。
=½ e^{x²}+C。
答案:½ e^{x²}+C
例题:求 $\int x e^x dx$。
分部积分
思路:x 作 u,e^x dx 作 dv。
u=x,dv=e^x dx ⇒ du=dx,v=e^x。
∫x e^x dx=x e^x−∫e^x dx=x e^x−e^x+C。
答案:(x−1)e^x+C

2定积分:无限细分求和 核心重点

定积分是“累积量”的精确值。变上限积分求导和牛顿-莱布尼茨公式是必考计算点。

定积分定义与性质 概念

💡 秒懂:把曲线下的面积切成无数细条,求面积和——就是黎曼和取极限。
$\int_a^b f(x)dx=\lim_{\lambda\to0}\sum f(\xi_i)\Delta x_i$。性质:线性、区间可加、保序(f≥g⇒∫f≥∫g)、中值定理 ∃ξ 使 ∫_a^b f=f(ξ)(b-a)。
🔑 定积分是常数(与积分变量无关:∫_a^b f(x)dx=∫_a^b f(t)dt)。

变上限积分 核心

💡 秒懂:上限是个动点 x,积分值随 x 变化成一个新函数;对它求导,正好得到被积函数(上限代入)。
$\Phi(x)=\int_a^x f(t)dt \Rightarrow \Phi'(x)=f(x)$。若上限是 g(x):$\frac{d}{dx}\int_a^{g(x)}f(t)dt=f(g(x))g'(x)$。
🔑 变上限求导是高频填空/选择:上限代入×上限导数。

牛顿-莱布尼茨公式 核心

💡 秒懂:求定积分不用再切条求和——只要找原函数 F,用 F(b)−F(a) 即可,像坐电梯直达。
若 F'=f,则 $\int_a^b f(x)dx=F(b)-F(a)$。
⚠️ 这是微积分基本定理,连通微分与积分。

对称区间与奇偶 技巧

💡 秒懂:偶函数在对称区间积分=2倍半边;奇函数在对称区间积分=0(白算)。
$\int_{-a}^a f(x)dx=0$(f 奇);$=2\int_0^a f(x)dx$(f 偶)。
🔑 遇对称区间先判奇偶,省一半计算。
例题:设 F(x)=∫_0^{x²} e^t dt,求 F'(x)。
变上限求导
思路:上限 x²,代入再乘导数。
F'(x)=e^{x²}·(x²)'=e^{x²}·2x。
=2x e^{x²}。
答案:2x e^{x²}
例题:求 $\int_0^1 (2x+1)dx$。
牛顿-莱布尼茨
思路:找原函数。
原函数 F(x)=x²+x。
F(1)−F(0)=(1+1)−0=2。
答案:2

3反常积分:无限与无界 重点

无穷区间型与无界函数型(瑕积分),掌握敛散性判别与基本计算。

两类反常积分 定义

💡 秒懂:区间无限长(尾巴拖到无穷)或函数在某点爆掉(无界),普通定积分定义不了,用极限来定义。
无穷区间:$\int_a^{+\infty}f=\lim_{b\to\infty}\int_a^b f$。无界函数(瑕点 c):$\int_a^b f=\lim_{t\to c^-}\int_a^t f$(取极限存在则收敛)。
🔑 先写极限定义,再算普通积分,最后取极限。

敛散性判别 技巧

💡 秒懂:尾巴像 1/x^p:p>1 收敛,p≤1 发散(无穷区间);瑕点附近像 1/(x-a)^p:p<1 收敛。
$\int_1^\infty \frac1{x^p}dx$ 当 p>1 收敛;$\int_0^1\frac1{x^p}dx$ 当 p<1 收敛。常用比较判别法。
⚠️ 数二常考 p 积分结论,记住临界值。
例题:判断 $\int_1^\infty \frac1{x^2}dx$ 的敛散性并求值。
无穷区间
思路:p=2>1 收敛。
=lim_{b→∞}[−1/x]_1^b=lim(1−1/b)=1。
极限存在,故收敛,值为 1。
答案:收敛,值为 1

4定积分的几何与物理应用 重点

用微元法求面积、旋转体体积、弧长、功与压力等。数二重计算,微元法是统一思路。

平面图形面积 必考

💡 秒懂:在 x 方向切细条,面积微元 dA=f(x)dx(上下曲线相减);y 方向同理 dA=[x右−x左]dy。
$A=\int_a^b[f(x)-g(x)]dx$(f 在上)。极坐标 $A=\frac12\int_a^\beta r^2(\theta)d\theta$。
🔑 先画图定上下/左右,再写微元。

旋转体体积 必考

💡 秒懂:把切片当圆饼(绕 x 轴:半径 f(x))或圆管(绕 y 轴:柱壳法)。
绕 x 轴:$V=\pi\int_a^b f^2(x)dx$。绕 y 轴(柱壳):$V=2\pi\int_a^b x f(x)dx$。
🔑 圆盘法记 πR²;柱壳法记 2π·半径·高。

弧长与物理应用 重点

💡 秒懂:把曲线切成小斜线段,长度微元 ds=√(1+y'²)dx。物理上功=力沿路程积分。
弧长 $L=\int_a^b\sqrt{1+y'^2}dx$。功 $W=\int F(x)dx$;水压力、质心等按微元法设。
⚠️ 弧长公式数二常考,记得开根号。
例题:求曲线 y=x² 与 y=x 围成图形的面积。
面积
思路:先求交点定区间。
交点:x²=x ⇒ x=0,1。在 [0,1] 上 x≥x²。
A=∫_0^1(x−x²)dx=[x²/2−x³/3]_0^1=1/2−1/3=1/6。
答案:1/6
例题:求 y=x² (0≤x≤1) 绕 x 轴旋转体体积。
体积
思路:圆盘法。
V=π∫_0^1 (x²)² dx=π∫_0^1 x⁴ dx。
=π[x⁵/5]_0^1=π/5。
答案:π/5

📊 互动演示:定积分 = 无限细分求和

拖动滑块增加矩形个数 n,看“矩形面积和”如何逼近曲线下真正的面积(定积分)。

n:

本章互动小测

做完点“交卷”看解析,错题回上面知识点再巩固。
1. 分部积分公式 ∫u dv = ?
解析:分部积分:∫u dv=uv−∫v du。
2. d/dx ∫_a^{x} f(t)dt = ?
解析:变上限积分求导:上限代入即得 f(x)。
3. ∫_{-a}^a x³ dx = ?
解析:x³ 是奇函数,对称区间积分为 0。
4. ∫_1^∞ 1/x dx 的敛散性?
解析:p=1 的 p-积分在无穷区间发散。
5. y=f(x) 绕 x 轴旋转体体积公式?
解析:圆盘法 V=π∫_a^b f²(x)dx。
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