一元函数积分学
考点定位
- 大纲位置:高等数学第三章,计算量最大的章节,是后面多元积分与微分方程综合题的工具库
- 常见题型:不定积分换元/分部选型、定积分的对称性与区间再现技巧、变限积分求导与极限、反常积分敛散判别、几何应用(面积/旋转体体积/弧长/旋转曲面)
- 考查频率:高。积分计算几乎渗透每张卷的每个大题;变限积分求导是高频选择/填空陷阱
- 定位:积分是"模式识别 + 计算准确率"的功夫——选型对了就成功一半,本章把选型决策做成一棵树和三张表,反复对照演练
核心讲解
不定积分:选型决策树
拿到积分先问"被积函数长什么样",而不是上来就动笔。整套决策流程:
决策顺序有讲究:先看能不能凑微分(成本最低),再看是否两类函数乘积(分部),再看根式(第二类换元),最后有理函数部分分式(万能但最费时)。考场先花 10 秒选型,比埋头硬算 5 分钟强。
凑微分模式表(第一类换元)
第一类换元的本质:把被积式的一部分识别为某函数的微分。高频模式必须形成条件反射:
第二类换元:三类根式代换
倒代换 :分母幂次明显高于分子时用(如 型),本质是把分母的 换到分子。
分部积分:选 u 的口诀
两类不同函数相乘时,按 "反、对、幂、指、三" 的优先级选 (排前者当 ,排后者进 )。这个口诀是让 比 更简单的经验总结:
- :幂在指前,,
- :对在幂前,,
- :反三角在幂前,
- :指与三同级,任选一个当 ,两次分部后移项解方程
有理函数部分分式分解
任何 ( 为多项式)的原函数都是初等函数,步骤固定:
- 假分式(分子次数 ≥ 分母)先做除法化为"多项式 + 真分式"
- 分母 在实数范围内分解为一次因式 与不可约二次因式 ()
- 按模板拆:
- 定系数:代入特殊根(最优先)+ 比较同次幂系数
- 逐项积分:一次式直接 ;二次式配方后拆成 型(凑对数)与 型(凑 )
三角函数有理式 的万能代换 (仅数一大纲点名,数二了解即可)是最后手段,优先尝试奇偶化简( 等)。
定积分:性质与对称性技巧
基本性质
线性、区间可加、、估值定理。奇偶与周期是考研最值的两个免费分技巧:
先查奇偶周期再动笔,是定积分第一大纪律。遇到非对称区间可先用区间可加移成对称区间。
区间再现公式(翻转技巧)
证明一行:右边换元 即得。威力在于把 换成 后两式相加,消去讨厌的因子。最重要的推论:
分子上的 直接被"平均"掉——遇到 、 这类题,区间再现是唯一正解(见例题 3)。
变限积分求导
连续时 可导且 ——这是"积分产生新函数"的基石。一般形式(上限为复合函数):
被积函数含 时禁止直接套(求导变量与积分变量混了),两条出路:
- 拆项提出:,再求导
- 换元内移: 令 化为 后求导
华里士公式(点火公式)
口诀:"偶添 ,奇止于 "。
适用条件(缺一不可):积分区间恰为 ,且被积函数是 或 的整数次幂。其他区间必须先做对称性换算:
反常积分:敛散性判别与计算
两类:无穷限()与瑕积分(区间内有无穷间断点)。判别先于计算——发散就不要算。
两个标准尺度(比较判别法的参照物):
常见结论: 当且仅当 收敛(换元 化为第一个尺度);()收敛于 。
计算示范(双重反常:瑕点 + 无穷限):。令 ,,,被积式化为 , 对应 :
拆项陷阱: 若拆成两项各自发散,不能断言原积分发散(如 收敛);反之,若任一项收敛另一项发散,则原积分必发散。
定积分的几何应用
平面图形面积
直角坐标:(先求交点定限,大减小)。
极坐标(数一数二均考):
忘乘 是本考点第一大错。自查: 是半径 的圆,面积必须等于 。
旋转体体积
弧长与旋转曲面(仅数一)
弧长公式三张脸记一个原则:都是"微分勾股定理" 的变形。旋转曲面 = 周长 × 弧微元。
例题
例题 1(模拟题)分部积分的"构造性"用法
求 。
解析:被积函数是幂、指、分式的混合,硬分部会越算越乱。注意到分母 恰好是 的导数结构,把 整体看作 :
后一式分子恰好 :
验证:,成立。
套路总结:出现 、 这类"分母导数结构",优先试 方向的分部,而不是强行拆项。
例题 2(模拟题)有理函数部分分式
求 。
解析:分母已分解为一次因式 与不可约二次因式 ,设:
通分比较:。代入根 得 ;比较 项 得 ;比较 项 。于是:
定系数提速:先代根(一次因式的根),再比最高次与最低次幂系数,多数题不用解方程组。
例题 3(模拟题)区间再现消去分子上的
求 。
解析:分子上的 让分部积分变成灾难。区间再现:,
两式相加:
故 。
套路总结: 一律先区间再现再点火,分子 变成系数 。
例题 4(模拟题)变限积分求导:被积函数含
设 连续,,求 与 。
解析:被积函数含 ,先拆项提出再求导:
坑:直接写 是经典错误——变限求导公式只适用于被积函数不含 的情形。
(上限为复合函数的对照):,链式法则别丢内层导数。
例题 5(模拟题)点火公式的区间换算与指数奇偶陷阱
计算:(1);(2);(3);(4)。
解析:
(1)区间正是 ,直接点火(奇数,止于 ):。
(2)区间是 ,先对称换算再点火:。
(3) 偶次同号不抵消:。
(4)陷阱题:若照抄(2)的"直接点火再翻倍"之外偷懒——错解是只点火不翻倍得 。正解:。
坑位总结:区间不是 必须先换算;幂次奇偶决定 在 、 上是否归零; 在 上无论奇偶都翻倍,在 上奇次归零偶次乘 4。
例题 6(模拟题)旋转体体积:绕 x 轴与绕 y 轴
求 ()与 轴所围图形分别绕 轴、 轴旋转一周的体积。
解析:
绕 轴(圆盘法):
绕 轴(柱壳法,避开 与 的分段尴尬):
选型提示:曲线给出的 关于 单值而 关于 不单值时,绕 轴用柱壳法一步到位;绕任意直线(如 )时画截面,半径是"曲线到轴的距离",先平移再套公式。
常见坑
- 点火公式区间不是 直接套:、、 各有换算规则,见换算表
- 指数奇偶陷阱: 上 积分是 (不是点火值翻倍), 上 是点火值翻倍 (不是 )
- 变限积分被积函数含 直接套求导公式: 必须先拆项(例题 4)
- 上限是 等复合函数忘乘内层导数
- 分部积分 u 选错方向: 选了指数/三角导致循环放大,回到"反、对、幂、指、三"
- 有理函数是假分式不先做除法,部分分式模板只对真分式成立
- 第二类换元后忘记换积分限(定积分)或忘记回代(不定积分)
- 反常积分不先判敛散就计算;拆项后"各自发散"推不出整体发散
- 极坐标面积忘乘 ;柱壳法绕 轴忘乘 因子
- 弧长与旋转曲面当公共考点记:二者是仅数一考点,数二卷不出现(卷种确认前按超集学,确认后可划走)
自测
- 求
- 求
- 求
- 设 连续,求
- 判断并计算反常积分
自测答案与简析
- 令 ():。根式整体代换的最小样本
- 分部两次(幂×指, 起手):
- 为奇函数积分为 ,剩下 。先查奇偶再点火
- 上限复合:。符号来自内层导数
- 分母 ,,收敛。无穷限反常积分配方后即是标准原函数