一、引言《人工智能数学基础不定积分2:利用换元法求不定积分》介绍了用三种换元法求不定积分的方法和案例,《人工智能数学基础—定积分3:微积分基本公式(jddxf公式)》介绍了用微积分基本公式-jddxf公式可以计算定积分。 这样,在一定条件下用换元法求定积分是明显可行的方法。
二、元公式2.1、元公式定理:函数f(x )在区间) a、b )中连续,函数x=) t )满足条件。
()=a,()=b; ) t )在区间[,]上(或[,]上)具有连续导数,并且其值域R=[a,b],或值域r超过[a,b],但f ) x )在r上连续
公式(3-1)称为定积分的换元公式。 该公式与不定积分换元法的第二个公式的不同之处在于,符号从不定积分变为定积分,并且没有在公式的右边加上t作为x的反函数值的说明。 这是因为可以通过t直接计算定积分值,不需要还原为x进行计算。 具体请参照以下说明。
*证明思路: **等式两边的被积函数的元函数都存在,所以应用jddxf公式,假设f(x )是f ) x )的元函数,可以得到:
另一方面,如果记住(t )=f ) ) t ) ),并对其求出导数,则可以证明是f )) ) t )的原函数,因此有以下情况。
因此,有:
可知定理成立。
注意:
定积分中的dx本来是定积分符号中不可分割的部分,但是在定积分中利用元公式的情况下,可以将其作为微分符号。 即,在x=(t )的情况下,dx=) ) dt; 应用元公式时,用x=(t )将原来的变量x置换为新的变量t时,积分区间的上下限也需要置换为新的变量t的上下限; f() t ) )的原始函数) t )之后,不为了计算不定积分而将) t )变换为原始变量x的函数,而是将新的变量t的上下限分别代入) t )并减去即可; 原来的转换公式可以反过来使用。 也就是说,左右交换表达式(3-1),为了便于记忆(也就是说,将原始转换表达式从x转换为t ),还交换t和x,得到以下表达式:
这是通过=(a ),=) (b ),而是通过t=) ) x )来引入新的变量t。 三.案例1
情况2
情况3
四.一些特殊函数定积分的性质4.1,关于奇偶函数定积分的性质1,如果f(x )在[-a,a]上是连续的且是偶函数:
2、当f(x )在[-a,a]上连续且是偶函数时:
这两个性质的证明非常简单,首先分割为[-a,0]和[0,a]的定积分,然后对负区间进行x=-t变换,结合奇偶函数的性质和定积分的补充规定即可证明。
利用这两个性质,能够简化关于原点对称区间中奇偶函数的定积分的计算。
4.2、关于f(sinx )复合函数定积分,假设f ) x )在[ 0,1 ]处连续,则:
假设t=-x,使用函数及微积分的基础知识即可证明这两个性质。
4.3、假设f(x )是连续周期函数,则周期函数的定积分如下。
这两个证明非常容易,应该基于周期函数的性质就可以了。
五、本节介绍定积分的元公式,并举例说明用换元法计算定积分的具体过程。 定积分计算时,必须注意到不同积分区间的原函数可能不同。
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