引入

积分表里没有 ,为什么令 就能做出来?

第一换元法和第二换元法有什么区别?为什么一个叫”凑微分”,一个叫”变量代换”?

换元之后为什么还要换回去?

正文

定义

换元积分法是通过变量替换,把不易积分的式子化为基本积分表中的形式。分两类:第一换元法(凑微分)与第二换元法(变量代换)。

第一换元法(凑微分)

定理

设 有原函数 , 可导,则

关键观察:,所以被积表达式中的 可以整体看成 。

步骤操作
1识别出 与
2把 凑成
3对 积分
4回代为 的表达式

“凑”的含义:不是先换元再算,而是先在式子里认出某个整体的导数。

例如:

这里把 直接看成 ,一步完成。

常见凑微分形式

原式凑成

这张表是凑微分法的全部工具,熟练后可以不写换元步骤。

第二换元法(变量代换)

定理

设 单调可导,,且 有原函数,则

与第一换元法的方向相反:

方法替换方向目的
第一换元把 看成 简化复合结构
第二换元把 换成 消去根式、化为三角

三种常用三角代换

被积函数含代换依据

代换的依据都是三角恒等式。选取哪个,取决于要消去哪种根式。

例题

令 ,则 ,:

回代 :

回代是必须的,因为原题的自变量是 。

定积分中的换元

其中 、。

定积分换元后不必回代,因为上下限已经换成了 的范围。这是定积分换元比不定积分省一步的地方。

选择的判断

症状用
被积函数含 与 第一换元
含 等根式第二换元
含 等形式令根式为
分母次数高、分子次数低倒代换

常见误区

错误说法问题
”换元后不用回代”不定积分必须回代
”定积分换元后要回代”不需要,但要换上下限
”第二换元法随便选 “需单调、可导、导数非零
”凑微分会改变积分值”只是形式变换
”三角代换只有一种”三种,取决于根式形式

引出

为什么第二换元法要求 单调?这与反函数存在性有关吗?

凑微分与链式法则是什么关系?

换元法能否处理所有初等函数的积分?