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四、定积分的求法 - Dr. Huang

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Academic year: 2023

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(1)

四、定积分的求法

[定积分的性质]

ba

b

a f(x)dx f(x)dx

aaf(x)dx0

cb

c a b

a f(x)dx f(x)dx f(x)dx

ab

b a b

a[k1f(x) k2g(x)]dx k1 f(x)dx k2 g(x)dx

[分部积分法]

ab

b a b

a b

a f(x)g'(x)dx f(x)dg(x) f(x)g(x)| g(x)f'(x)dx 式中 f(x)g(x)|baf(b)g(b) f(a)g(a)

[变量替换法] 设函数(x)在区间[a, ]上有连续的导数b '(x),同时函数 f(u)在区间 )]

( ), (

[ ab 上连续,并且u从(a)单调地变到(b),则

ab f[(x)]'(x)dx

((ab))f(u)du

[利用函数奇偶性求积法]

f(x)为偶函数,则

a a

a f x x f x x

0 ( )d 2

d ) (

f(x)为奇函数,则

( )d 0

a

a f x x

[利用积分对参数求导法] 设f(x,t)在有界区域R(axb, t)上连续,并且存在连续 偏导数 f(x,t)

t

 ,则当t时,有

x t x tf x

t x t f

b a b

a ( , )d ( , )d

d

d

例 计算积分 x x

I x d

ln 1

1

0

解 设 , ( )

01 ( , )d ln

) 1 ,

( F x f x t x

x t x

x f

t

F(0)0,F(1)I .因

1 d 1

d ln ) ( 1 d

d 1

0 1

0    

  

x t x x x

x t t

F t t

01 1

0 d

1 ) 1

(

d t

x t F 所以︳IF(1)ln2.

[定积分表]

定 积 分 定 积 分 值 dx

a2 x2

0

2

0 a a (  )

(2)

1 1

2 0 4

1

xx d x 4 2

0 1

1 dx

x xn

) 1 0

sin ( n

n

定 积 分 定 积 分 值 sin2 d

0 ax x

2 cos2 d

0 ax x

2

sin d cos d

n

n

x x

0 2

0 2













 

)

! (

!

! )!

1 (

) 2 (

!

!

! )!

1 (

) 1 ( ) 2 1 (

2 ) ( 1 2

为正奇数 为正偶数 n n

n n n n

n n n

sin(x2) dx

0

1

2 2

cos(x2) dx

0

1

2 2

 sinaxd

x x

0

2 0

2 0

( )

( )

a a

 





 tanxd

x x

0

2

arcsin xd

x x

0

1 2ln 2

sin d

2 0 2

ax

x x

2a

sinxd x x

0

2 cosxd

x x

0

2 sinaxcosax xd

a 0

0

0sinaxcosaxdx 0

0sinaxsinbxdx 0 (ab) cosaxcosbx xd

0

0 (ab)

(3)

sinaxcosbx xd

0





 

) (

0

) 2 (

2 2

为偶数 为奇数 b

a b b a

a a

定 积 分 定 积 分 值 sin cos

d

( , )

ax bx

x x

a b

0

0

2 4 0

( )

( )

( )

a b a b a b





 sin cos

ax bxd

x2 x

0

a2 (ab)

cos cos

ax bxd

x x

0 lnb

a (arctan arctan

ax ) d x

bx

x x

0 b

lna 2

e e

x x

ax bx

0 d

lnb a 1

0 a b x x

cos d

a b

a b

2 2 0

 (   ) 1

0 2

a b x x

cos d arccosba ( )

a b

a b

22

cosaxd

x x

1 2

0

2

0

2 0

e a

e a

a

a





( )

( )

eax x

0 d

1 0

a (a ) x en ax x

0 d

n an! n

1 ( 为正整数,a>0) xeax x

0 d

1

2 0

aa a (  ) e

x x

ax

0 d

a (a0) eax bx x

0 cos d

a

a2 b2 a 0

 (  ) eax bx x

0 sin d

b

a2 b2 a 0

 (  ) eax bx x

0 ch d

a

a2 b2 b a

 (| | )

表中(2n)!!246(2n), (2n1)!!135(2n1).

(4)

eax bx x

0 sh d

b

a2 b2 b a

 (| | )

0 sin d x x

x

e ax arccota a( 0)

ea x x

0 2 2d 

2 0

a (a ) x e2n ax x

0

2

d (2 1)!! ( )

2n 1 0

a a a

n n

 

定 积 分 定 积 分 值 ea x bx x

0 2 2cos d

e

a a

b

a

2

4 2

2  ( 0)

e x

x a

x

2

2 2

0 d e

a

a 2

2  ( 0)

(ln ) dx n x

0

1 (1)nn! (n为正整数)

lnx d x x 1

0 1

2

6 lnx d

x x 1

0 1

2

12

ln( )

1 d

0

1

x x x 2

12 lnx d

x x

1 2

0 1

2

8 lnx d

x x

1 2

0 1

2ln 2

01

d 1 ln1

x x x

x2

4

lne d

e x

x x

0 11

2 4 ln1d

0 1

x x

2

1 1

0 1

ln d x

x

ln(1 ) d

0

1

x x 32

x x

x x

ba

0 ln d

1 ln1

1

b a ln sin dx x

0 2

2ln 2

ln cos dx x

0 2

2ln 2

xln sin dx x

0

2

2 ln 2

(5)

ln(abcos ) dx x

0

ln

( )

a a b

a b

 

2 2

2

ln( cos )

cos d

1

0

ax x x arcsina

ln ln dx x

0

1 (欧拉常数,下同)

定 积 分 定 积 分 值 ex x x

0 ln d



( e ) d

e e

x x

x x

x

 

0 1

1 1

1

0 x( x e x) dx

 

1

1

0

1

e xx ex d x

xeax bx x

0 sin d

2 0

2 2 2

ab

a b a

( ) ( )

 

xeax bx x

0 cos d

a b

a b a

2 2

22 2 0

 

( ) ( )

x e2 ax bx x

0

sin d 2 32 2 2 32 0

b a b

a( b ) a

( ) ( )

 

x e2 ax bx x

0

cos d 2a a22 32b32 0

a( b ) a

(  ) ( )

 

x e3 ax bx x

0

sin d 24 2 2 2 42 0

ab a b a ( b ) a

( ) ( )

 

x e3 ax bx x

0

cos d 6( 4 26 2 22 4 4) 0

( ) ( )

a a b b

a b a

 

 

x en ax bx x

0 sin d

) 0 , 1 (

) (

2

] ) ( ) [(

!

1 2 2

1 1

a i

b a

ib a ib

a in

n n n

x en ax bx x

0 cos d

) 0 , 1 (

) (

2

] ) ( ) [(

!

1 2 2

1 1

a i

b a

ib a ib

a n

n n n

1

2 2 2 2

0 2

a x b x x

cos sin d

2ab

a b x

aab x b x

 

0 2 2 coscos 2 d

a a b

a a b

a b (| | | |)

( )

(| | | |)





 2 0

(6)

五、广义积分

1. 广义积分的概念

[无穷限广义积分] 设函数f(x)在[a,b]上可积,u>a,

<b,u>

,当下列各式右边的极限 存在时,

u

u a

a f(x)dx lim f(x)dxb f(x)dxulimbf(x)dx

 



u

u f x x

x x

f

d ) ( lim d

) (

这时称无穷限广义积分收敛,否则称为发散.

[无界函数的广义积分] 设函数f(x)在给定区间[a,b]上只有一个瑕点x=c,即函数f(x)在x=c

点的邻域内无界,而在[a,c-ε ]及[c+ε ',b]上可积,ε ,ε '为任意小的正数,当ε 和ε '独立地 趋于零,极限

 

b c c

a f x x ' f x x

' 0

0[ ( )d ( )d ]

l i m

(1) 存在时,则用上式定义无界函数f(x)从ab的瑕积分,记作

 

c a

b c b

a f x x f x x ' f x x

' 0

0[ ( )d ( )d ]

l i m d

) (

[柯西主值] 有时极限(1)不存在,但如果设ε '=ε →0,这个极限(1)存在,就称它

为瑕积分

abf(x)dx的主值,记作

 

c a

b c b

a f x x f x x f x x

0[ ( )d ( )d ]

lim d

) ( . V . P

这时称无界函数广义积分在主值意义下收敛,否则称为发散.

[绝对收敛与条件收敛] 如果f(x)的广义积分与|f(x)|的广义积分同时收敛,那末称f(x)的广

义积分是绝对收敛, f(x)称为绝对可积;如果仅前者收敛,后者不收敛,那末称f(x)的广义积分 是条件收敛.

2. 广义积分收敛判别法

af(x)dx收敛的充分必要条件是:对任意给定的ε >0,都存在N=N(ε )>0,只要 N

N N

N1  , 2  ,就有|

NN12 f(x)dx|<ε .

2° 设f(x)是非负的,则

a f(x)dx收敛的充分必要条件是:

F(u)=

auf(x)dx是有界函数.

3° 设当x→ ∞ 时,f(x)=

 

xp

O 1 .若p>1,则

a f(x)dx收敛;若p 1,则

a f(x)dx发散.

4° 若

a f(x)dx收敛,g(x)单调有界(xa),则

a f(x)g(x)dx收敛.

(7)

5° 设f(x)≥ 0,g(x)≥ 0,且f(x)≤ cg(x)(xa,c是一个大于零的常数).若

ag(x)dx收敛,则

a f(x)dx也收敛;若

a f(x)dx发散,则

ag(x)dx也发散.

6° 无穷级数与广义积分的关系:设f(x)是定义在区间[a,∞ )上的一个正的非增连续函数,

则级数f(a)+f(a+1)+··+f(a+k)+··与积分

a f(x)dx同时收敛或同时发散.

7° 广义积分

abf(x)dx(以a为瑕点)收敛的充分必要条件是:对任意给定的ε >0,都存 在δ (a<δ <b),使当a<u'<u''<δ 时|

uu''' f(x)dx|<ε .

8° 设g(x)有连续的导数,并是恒正的、单调下降的函数,且lim ( )

x ag x

0.若有常数M,使

对一切u>a,都有|

au f(x)dx|<M,则广义积分

a f(x)dx收敛.

六、含参数积分

1. 含参数常义积分

[连续性] 若二元函数f(x,y)在有界区域R(axA,byB)上有定义且连续,则

F(y)

aA f(x,y)dx 是闭区间[b,B]上的连续函数.

[积分号下的微分法] 若f(x,y)在有界区域R(axA,byB)上连续,并且存在连续偏

导数 fy'(x,y),则当b<y<B时,

aA y A

a f x y x f x y x

y ( , )d ( , )d d

d

一般情况下,当积分限为参数y的可微函数(y)和(y), 且当byB a≤ (y)≤ A, a≤ (y)≤ A时,

(())

) (

)

( ( , )d [ ( ), ] ( ) [ ( ), ] ( ) ( , )d

d

d y

y y

y

y f x y x f y y y f y y y f x y x

y

    (1)

[积分的求导运算] 以下公式为(1)的特殊情况.

t t t b b f x x t f

t b

a d

) ( )]d ( [ d ) d (

d ()

) ( d ) d (

d f x x f t

t

t

a

ab t b

a f x t x f x t x

t ( , )d ( , )d d

d

ab t

t b

a t

t t b t b f x t x f x t x

t f d

) ( ]d ), ( [ d ) , ( d

) , d (

d ()

t t t a t a t f

t t b t b f x t x f x t x t f

t b

t

a t

t b

t

a d

) ( ]d ), ( d [

) ( ]d ), ( [ d ) , ( d

) , d (

d ()

) ( )

( )

(

[积分号下的积分法]若函数 f(x,y)在有界区域[a≤ x≤ A,byB]上连续,则

 

 

aA B b A

a B

b [ f(x,y)dx]dy [ f(x,y)dy]dx 2 . 含参数广义积分

[一致收敛性] 设函数f(x,y)是定义在区域R(ax<∞ , y1<y<y2)上的连续函数,若对任意给

(8)

定的ε >0,都存在只与ε 有关的正数B=B(ε ),使得当bB时,对区间(y1y2)内一切y不等 式

|

b f(x,y)dx|

都成立,则称广义积分

a f(x)dx在区间(y1y2)内一致收敛,并且在该区间内是参数y的连 续函数.

[一致收敛判别法]

1° 柯西判别积分

a f(x,y)dx

在区间(y1y2)内一致收敛的充分必要条件是:对任意ε >0,都存在正数B=B(ε ),使得当 b'>B,b''>B时,对区间(y1y2)内的一切y,都有

|

bb''' f(x,y)dx|

2° 外尔斯特拉斯判别法 设函数f(x,y)(x的函数)在任一有限区间[a,A]上可积,若存在与

参数y无关的函数F(x),它在区间[a,∞ )上可积,并且对于区间(y1y2)内的一切y |f(x,y)|≤ F(x) (xa)

则积分

a f(x,y)dx 在区间(y1y2)内一致收敛.

[对参数的微分法] 若(i)函数f(x,y)在区域R(ax<∞ , y1<y<y2)内连续,并对参数y可微,

(ii)积分a f(x,y)dx收敛,(iii)积分

a fy (x,y)dx在区间(y1y2)内一致收敛,则当y1<y<y2时,

af x y x

a fy x y x

y ( , )d ( , )d

d d

[对参数的积分法] 若函数f(x,y)在区域R(ax<∞ , y1<y<y2)内连续 ,并且a f(x,y)dx

区间(y1y2)内一致收敛,则

 

 

a y y a

y

y[ f(x,y)dx]dy [ 2f(x,y)dy]dx

1 2

1

七、斯蒂尔吉斯积分

[定义] 设在区间[a,b]上给定两个有界函数f(x)和g(x).用任意方法把区间[a,b]分成若干部

分,其分点为

a=x0<x1<x2<…< xi<xi+1<…<xn=b

并设λ 是Δ xi=xi+1-xi(t=0,1,…,n-1)中最大的.在每个小区间[xi,xi1]上任取一点 )

1 , , 2 , 1 , 0 (

,   1  

x x i n

xi ii i  ,作和

σ = f i g xi g xi i

n

( )[ ( ) ( )]

1

0 1

当λ →0时,如果极限 

0

lim 存在,那末这个极限称为函数f(x)对函数g(x)的斯蒂尔吉斯积分,

记作

(9)

 

1

0

0 ( )[ ( 1) ( )]

lim ) ( d ) (

n

i

i i

i b

a f x g x fg x g x

特别是,当函数g(x)在区间上连续可微时,函数f(x)对g(x)的斯蒂尔吉斯积分就是通常的 黎曼积分

ab

b

a f(x)dg(x) f(x)g (x)dx [可积性]

1°若函数f(x)连续,函数g(x)有有界变差,则积分

abf(x)dg(x) (1)

存在.

2°若函数f(x)在区间[a,b]上黎曼可积,函数g(x)满足李普希茨条件:

|g(x')-g(x'')|≤ L(x'-x'') (L为常数,ax''<x'≤ b) 则积分(1)存在.

3°若函数f(x)在区间[a,b]上黎曼可积,函数g(x)可表示成

g(x)=C+

ax(t)dt

式中C为常数,函数(t)在区间[a,b]上绝对可积,则积分(1)存在.

[积分法则与不等式]

1°积分法则

abdg(x)g(b)g(a)

 

ab

b a b

a[f1(x) f2(x)]dg(x) f1(x)dg(x) f2(x)dg(x)

 

ab

b a b

a f(x)d[g1(x) g2(x)] f(x)dg1(x) f(x)dg2(x)

ab

b

akf(x)d[lg(x)] kl f(x)dg(x) (k,l为常数)

 

ac

b c b

a f(x)dg(x) f(x)dg(x) f(x)dg(x)

(a<c<b,三个积分都存在,当上式右边两个积分存在时,一 般不能推出积分

abf dg存在)

ab

b a b

a f(x)dg(x) f(x)g(x)| g(x)d f(x) (分部积分公式) 2° 若g(x)在区间[a,b]上为一非减函数,则

| ) ( d ) (

|

abg x f x

ab| f(x)|dg(x)

3° 若g(x)在区间[a,b]上为一非减函数,则f(x)≤ F(x),则

abf(x)dg(x)≤

abF(x)dg(x)

八、积分的近似计算

(10)

1. 内插求积公式

[等距内插求积一般公式(柯斯特公式)]

abf(x)dx≈ (ba)

n

k

k n

k f x

C

0 )

( ( )

式中xk为等距节点:

xk=a+kh k=0,1,2,…,n

n a h b

) (n

Ck 为柯特斯系数(见下表).

柯特斯系数表

) (n

Ck k n

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1

2

1 2

1

2

6

1

6

4 6

1

3

8

1

8

3 8

3

8

1

4

90 7

45 16

15

2

45 16

90

7

5

288

19

96

25 144

25 144

25 96

25

288 19

6

840 41

35

9 280

9

105 34

280 9

35 9

840 41

7

17280 751

17280 3577

17280 1323

17280 2989

17280 2989

17280 1323

17280 3577

17280 751

8

28350 989

28350 5888

28350

928 28350

10496 28350

4540 28350

10496 28350

928

28350 5888

28350

989

9

89600 2857

89600 15741

89600 1080

89600 19344

89600 5778

89600 5778

89600

19344

89600 1080

89600 15741

89600 2857

10

598752 16067

598752 106300

598752 48525

598752 272400

598752 260550

598752

427368 598752

260550

598752 272400

598752 48525

598752 106300

598752 16067

当区间[a,b]愈小,柯特斯公式所给出的结果愈精确.因此,当区间[a,b]较大时,为了避免 采用n值较大的柯特斯公式,常把[a,b]N等分,对其中各个等份应用n值较小的柯特斯公式 求积,然后再把各个等份的积分值相加,即得到区间[a,b]上的积分值,如下述的梯形公式(n=1) 和辛卜生公式(n=2).

[梯形公式]

abf(x)dx

1

1

)}

( )]

( ) ( 2[ {1

N

k k

N h f a f b f x

T

xk=a+kh, k=1,2,…,N-1

N a h b

 若max| f (x)|

b x a



M2,则截断误差为

rT2 2

12ah M b [辛卜生公式]

abf(x)dx [ ( ) ( ) 4 ( ) 2 ( )]

6

1 1

2 1

1

2

N

k

k N

k

k

N h f a f b f x f x

S

(11)

xk=a+k 2

h,

N a hb 若 max | f (4)(x)|

b x

a M4,则截断误差为

r

S4 4

2880ah M b [龙贝公式] 设

)]

( ) ( 2 [

1 0 ,

0 b a f a f b

T

R  

)]

1 2 2 ( 2 [

2

1 1

1

2

1 2

, 2

0  

 

a i a b

a f T b

T

R k

i k k

k

k k

= ]}

[ 2 2 ) ( ) ( 2 {

1 2 1

1

1 b ai

a f b

f a

f k

i k

k

1 4

4 1, 1 1,

,

m mkm k

m k m

R R R

b k a m m k k m k

mlimR , lim R , f(x)dx

固定 固定

一般地,可适当选取m,使之固定,再增大k,使近似截断误差 |Rm1,k1Rm,k |

在允许误差范围内即可,这时

abf(x)dxRm,k

具体计算过程可按下表自左而右,自上而下进行(表中箭头方向表示计算顺序).

例 用龙贝公式计算积分

01 2

1

4 dx

x

误差不超过0.0000001.

解 这里f x ( ) x

4

1 2,a=0,b=1.可按五步进行计算,结果如下:

(1) R0 0 T1 f f

1

2 0 1 1

2 4 2 3

,   [ ( ) ( )] (  )

(2) f( ) ,R, T [T f( )] .

1 2

16 5

1 2

1

2 3 1

0 1 2 1

    

k 区间等分数 2k

Tk

R k

, 2

0R1,k1 R2,k2 R3,k3 R4,k4 R5,k5

0 1

0 ,

R0

1 2 R0,1 R1,0

2 4

2 ,

R0 R1,1 R2,0

3 8 R0,3 R1,2 R2,1 R3,0

4 16

4 ,

R0 R1,3 R2,2 R3,1 R4,0

5 32 R0,5 R1,4 R2,3 R3,2 R4,1 R5,0

6 64

6 ,

R0 R1,05 R2,4 R3,3 R4,2 R5,1

        

(12)

R R R

1 0

0 1 0 0

4

3 3 133333333

,

, ,

  .

(3) R0 2 R0 1 f f

1 2

1 4

1 4

3

4 3 131176471

,,  [ ( ) ( )] . R1 1 R R

0 2 0 1

4

3 3 141568627

,

, ,

  .

3.1 4 2 1 1 7 6 4 7

15 16 1,1 1,0

0 ,

2  

R R

R

(4) R0 3 R0 2 f f f f

1 2

1 8

1 8

3 8

5 8

7

8 3 138988496

,,  [ ( ) ( ) ( ) ( )] . R1 2 R R

0 3 0 2

4

3 3 141592503

,

, ,

  .

R2 1 R R

1 2 1 1

16

15 3 141594095

,

, ,

  .

R3 0 R R

2 1 2 0

64

63 3 141585786

,

, ,

  .

 (5) 可以继续算出

R0 4, 3.140941614 R1 3, 3.141592655 R2 2, 3.141592665 R3 1, 3.141592643 因为

|R3 1,-R2 2, |=|3.141592643-3.141592665|<0.0000001 所以

01 2 d 1

4 x

x ≈ 3.14159264 而准确值为

 

01 2 4arctan |10 1

4 dx x

x  3.141592654

在等距内插求积公式中,以辛卜生公式和龙贝公式为好,计算简单 ,便于在电子计算机 上实现(都有标准程序),精确度也相当高.特别龙贝公式是采用区间逐次分半的方法,前一次分 割得到的函数值在区间分半后仍可利用,具有计算有规律,不需存储柯特斯系数和节点等优 点.

但等距内插求积公式不能计算广义积分.广义积分只能用下面的高斯型求积公式来计算.

[不等距内插求积公式(高斯型求积公式 )]

高斯型求积公式为

abw(x)f(x)dx

n k

n k n k f

1

) ( )

( ( )

n=1,2,…

式中(a,b)区间可以是有限或无限,w(x)为(a,b)区间内的非负权函数.

-∞ ≤ a≤ 1(n)< ( )

2

n <…<n(n)<b≤ ∞

为求积节点(相应的正交多项式的根),( )kn (k=1,2,…,n)为求积系数.f(x)为不超过2n-1次的多 项式时,上述求积公式(1)成为等式.

下面列出几种特例.

1° ( )

)]

! 2 )[(

1 2 (

)

! ( ) 2

)] ( ( )[

1 ( d 2

)

( 3 (2 )

4 1 2 )

1 (

1 1 ( )2 ( ) 2  

n n

n k n

k n

k n n k

n f n

f n x P

x

f  

 

 

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