定积分 存在的依据 是 面积是否收敛(被积函数 必须有界)

原函数 的要求 比 定积分 要高,不能出现 第一类间断点

N - L 公式

牛莱公式 的要求: 必须连续(实际只要 可积 + 原函数存在)

因为连续, 有原函数 ,此时 定积分 的计算 就可以利用 不定积分 的方法

易错点

用 N-L 前必须确认:原函数在整个积分区间上连续


错误解法

错因

在 处无定义,导致

在该点跳跃(左右极限相差 ),不是被积函数在 上的原函数,不能直接套 N-L 公式。

被积函数 本身连续有界,积分合法


正确解法

解法一:对称折半

被积函数满足 ,将区间折半,把间断点退到端点再取极限:

关键 端点处取 极限值而非函数值(反常积分思想)。

解法二:移轴换元

令 ,区间平移为 ,,间断点直接消失:


定积分的换元法

第二类换元

不定积分 有两类换元法;定积分的换元法只有一种 二类换元

令 ,上下限跟着换

换元条件:

  1. ,

  2. 在 (或 )上具有连续导数,且值域

教材脚注(同济 246 页):当值域 超出 时,只要 在 上连续,定理结论仍然成立。

定理从头到尾没有"单调"二字

不定积分第二类换元必须单调,是因为算完要回代 ,反函数得存在。

定积分换完上下限直接代新限出数值,永不回代,所以不需要反函数,也就不需要单调。

换元函数必须单调 是充分不必要条件,是保险写法,不是定理要求。

单调性问题

举例

法一:直接积,答案为 (原函数 )。

法二:令 ,上限有两种取法:

  • 上限取 : 在 单调,值域恰好是

  • 上限取 : 在 不单调, 走到中间时 先冲到 再折回
    值域 超出了原区间

两种上限算出同样的 。谁规定 必须对应 ?端点对应即可,中途可以绕远越界

在扩大的值域上连续就行

反函数的定义域

只能"令 x = ...",不能"令 ... = t"

看到 想令 时,必须先反解成 。

而 的反函数在不同单调段表达式不同:

陷阱题

错因: 从 走到 横跨两个单调段,一个反解式子覆盖不了全程,必须拆段:

第一段反解 ,第二段反解 ,各自换元后相加,结果为

“令 ” 一个式子想吞掉整个 ,上下限同时落到 ,这就是 的人踩的坑。真要省事,用对称性 反而一步到位。

几何学应用

面积

边界为显函数

这类题较简单;注意: 积分符号 和 上下限 的变化

口诀: 取微元,定位形

边界为参数方程

这类题需要画图,确定单一参数的 上下限

边界为显示极坐标

这一类型又可以分成三个小类

  1. 极直互换转换为参数方程组:

  2. 用 定位,构造扇形面微元 当 为显示极坐标方程组,

这里 的 是边线上的 公式,内部不适用

  1. 采用 和 双变量定位,利用二重积分

    实际就是 极坐标的面积公式

均值

体积

绕 x 轴旋转

寻找正确的母面

不能简单看成 是 绕轴旋转,这样得到的只是一个壳体

旋转角度必须是 ,不存在 一个大面 绕 ,我们要对面积取微元,求出对应的微元体

绕 y 轴旋转

  1. 对于 简单曲线 可以借助 反函数 求解,将绕 轴等同于 绕 轴

  2. 公式法:

    实际就是 柱壳法 卷心菜式的 体微元

绕平行于 x, y 轴 的轴旋转

如果平移旋转轴,相当于建立了一套新的标准,旧标准全部废除,只盯着新的坐标轴

为了减少记忆负担,尽量不用 平移旋转轴,熟练掌握元素法

绕任意轴旋转

双变量法,二重积分 plus 点到直线的距离公式 点线面距离

以参数方程表示的旋转体体积

消参,只留 ,积分上下限也是 以 为基准

显式极坐标表示的旋转体体积

用二重积分 可以省计算

解析册给的方案是直接 化成只含 的参数方程,计算起来非常复杂


绕极轴旋转一周,体积公式为:


先对 积分:

令 ,,积分限 :

已知平行截面求体积

弧长

极坐标弧长公式

平面曲线质量

基底都是 弧长公式,根据场景 变换弧长公式的变量 进行求解

侧面积

托里尼悖论

Gabriel's Horn(加百列号角)

一个 体积有限、表面积无穷大 的旋转体。
你可以用有限的油漆灌满它,却永远无法涂满它的内壁。

经典模型

曲线 ()绕 轴旋转:

求体积时被积函数是 (,收敛), 求面积时被积函数主项是 (,发散)


维度分析

同一条曲线 ,逐维度看:

维度量敛散
1D弧长发散
2D曲线下面积发散
2D旋转体侧面积发散
3D旋转体体积收敛

悖论核心

实际是因为 面积 并不能和 体积 同时比较,一个是有厚度的三维体 ,另一个仅是二维面,实际上,再大的二维图形也没有三维图中一个点 大,因为其受到维度的约束


2010 真题

区域 :()下方、 轴上方的无界区域。

面积

,由于 且后者发散,故面积 发散。

体积

注意

面积公式里 含 (,发散),体积公式里 含 ——再多除一个 的修正项使之收敛,完美对应托里尼悖论的结构。

物理应用

一元定积分在物理学中的应用本质上是微元法(元素法)的具体体现

1. 建立坐标系与压力微元

  • 建系:以水面为 轴,铅直向下为 轴。半圆方程为 。

  • 取微元:在深度 处取厚度为 的水平窄长条。

    • 压强:

    • 面积:

  • 微元表达式:

2. 积分计算总压力

受力范围为 ,利用凑微分 求解: