常见的积分&等价公式

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一、等价无穷小

等价无穷小替换是微积分中的一种技巧，用于简化极限计算，特别是在求导和不定积分的过程中。两个函数在某一点的极限为零，如果它们的比值在该点的极限为 1，则这两个函数在该点附近是等价无穷小。以下是一些常见的等价无穷小替换公式，它们在 x→0x \to 0x→0 时成立：

sin⁡(x)∼x\sin(x) \sim xsin(x)∼x

tan⁡(x)∼x\tan(x) \sim xtan(x)∼x

arcsin⁡(x)∼x\arcsin(x) \sim xarcsin(x)∼x

arctan⁡(x)∼x\arctan(x) \sim xarctan(x)∼x

1−cos⁡(x)∼12x21 - \cos(x) \sim \frac{1}{2}x^21−cos(x)∼21​x2

ln⁡(1+x)∼x\ln(1 + x) \sim xln(1+x)∼x

ex−1∼xe^x - 1 \sim xex−1∼x

(1+x)a−1∼ax(1 + x)^a - 1 \sim ax(1+x)a−1∼ax，其中 aaa 是任意常数

log⁡a(1+x)∼xln⁡(a)\log_a(1 + x) \sim \frac{x}{\ln(a)}loga​(1+x)∼ln(a)x​，其中 a>0a > 0a>0 且 a≠1a \neq 1a=1

等价无穷小的概念可以用来在求极限时替换复杂的表达式为简单的表达式，只要这些表达式在考虑的点附近表现相似。这些替换只在 $x$ 趋近于 0 时有效，因为只有在这个条件下，它们的比值的极限才是 1。

例如，如果我们要计算 lim⁡x→0sin⁡(x)x\lim_{x \to 0} \frac{\sin(x)}{x}limx→0​xsin(x)​，我们可以直接使用等价无穷小替换 sin⁡(x)∼x\sin(x) \sim xsin(x)∼x，得到：

lim⁡x→0sin⁡(x)x=lim⁡x→0xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin(x)}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{x}{x} = 1limx→0​xsin(x)​=limx→0​xx​=1

使用等价无穷小替换可以大大简化极限的计算过程。

二、积分替换公式

积分替换公式是积分计算中的一种方法，它通过变量替换将复杂的积分转换为更简单的形式。以下是一些常用的积分替换技巧：

代数替换：

当被积函数包含 a2−x2\sqrt{a^2 - x^2}a2−x2 ​、a2+x2\sqrt{a^2 + x^2}a2+x2 ​ 或 x2−a2\sqrt{x^2 - a^2}x2−a2 ​ 形式的根式时，通常使用三角替换。

三角替换：

对于 a2−x2\sqrt{a^2 - x^2}a2−x2 ​，可以令 x=asin⁡(θ)x = a\sin(\theta)x=asin(θ)。

对于 a2+x2\sqrt{a^2 + x^2}a2+x2 ​，可以令 x=atan⁡(θ)x = a\tan(\theta)x=atan(θ)。

对于 x2−a2\sqrt{x^2 - a^2}x2−a2 ​，可以令 x=asec⁡(θ)x = a\sec(\theta)x=asec(θ)。

分部积分：

根据积分的乘积法则，∫udv=uv−∫vdu\int u dv = uv - \int v du∫udv=uv−∫vdu。

有理函数的积分：

对于有理函数（一个多项式除以另一个多项式），可以使用部分分式分解。

三角函数的积分：

使用三角恒等式来简化被积函数，例如 sin⁡2(x)+cos⁡2(x)=1\sin^2(x) + \cos^2(x) = 1sin2(x)+cos2(x)=1。

指数函数和对数函数的积分：

对于形式为 axa^xax 的函数，可以使用自然对数的底 eee 来替换，即 ax=exln⁡(a)a^x = e^{x\ln(a)}ax=exln(a)。

凑微分法：

通过适当的替换使得被积函数与其导数相关联。

换元积分法（代换法）：

对于复合函数的积分，可以使用 uuu- 替换，即设 u=g(x)u = g(x)u=g(x)，然后计算 du=g′(x)dxdu = g'(x)dxdu=g′(x)dx。

反三角函数的积分：

当被积函数形式类似于反三角函数的导数时，可以直接使用反三角函数积分。

特定积分的标准形式：

有些积分有已知的标准形式，如 ∫11+x2dx=arctan⁡(x)+C\int \frac{1}{1 + x^2} dx = \arctan(x) + C∫1+x21​dx=arctan(x)+C。

在进行变量替换时，重要的是要记得同时替换微分项（$dx$），以确保积分的正确性。替换后，积分可能会变得更加简单，并且可以使用基本积分公式或进一步的技巧来解决。完成积分后，如果需要，应该将变量替换回原始变量。

三、常见的特定积分标准形式

特定积分的标准形式通常指的是一些常见函数的不定积分，它们有通用的积分公式。以下是一些基本的不定积分公式：

幂函数的积分：

∫xn dx=xn+1n+1+C(n≠−1)\int x^n \, dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C \quad (n \neq -1)∫xndx=n+1xn+1​+C(n=−1)

指数函数的积分：

∫ex dx=ex+C\int e^x \, dx = e^x + C∫exdx=ex+C

∫ax dx=axln⁡(a)+C(a>0,a≠1)\int a^x \, dx = \frac{a^x}{\ln(a)} + C \quad (a > 0, a \neq 1)∫axdx=ln(a)ax​+C(a>0,a=1)

对数函数的积分：

∫1x dx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{1}{x} \, dx = \ln|x| + C∫x1​dx=ln∣x∣+C

三角函数的积分：

∫sin⁡(x) dx=−cos⁡(x)+C\int \sin(x) \, dx = -\cos(x) + C∫sin(x)dx=−cos(x)+C

∫cos⁡(x) dx=sin⁡(x)+C\int \cos(x) \, dx = \sin(x) + C∫cos(x)dx=sin(x)+C

∫sec⁡2(x) dx=tan⁡(x)+C\int \sec^2(x) \, dx = \tan(x) + C∫sec2(x)dx=tan(x)+C

∫csc⁡2(x) dx=−cot⁡(x)+C\int \csc^2(x) \, dx = -\cot(x) + C∫csc2(x)dx=−cot(x)+C

∫sec⁡(x)tan⁡(x) dx=sec⁡(x)+C\int \sec(x)\tan(x) \, dx = \sec(x) + C∫sec(x)tan(x)dx=sec(x)+C

∫csc⁡(x)cot⁡(x) dx=−csc⁡(x)+C\int \csc(x)\cot(x) \, dx = -\csc(x) + C∫csc(x)cot(x)dx=−csc(x)+C

反三角函数的积分：

∫11−x2 dx=arcsin⁡(x)+C\int \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx = \arcsin(x) + C∫1−x2 ​1​dx=arcsin(x)+C

∫−11−x2 dx=arccos⁡(x)+C\int \frac{-1}{\sqrt{1 - x^2}} \, dx = \arccos(x) + C∫1−x2 ​−1​dx=arccos(x)+C

∫11+x2 dx=arctan⁡(x)+C\int \frac{1}{1 + x^2} \, dx = \arctan(x) + C∫1+x21​dx=arctan(x)+C

∫−11+x2 dx=arccot(x)+C\int \frac{-1}{1 + x^2} \, dx = arccot(x) + C∫1+x2−1​dx=arccot(x)+C

双曲函数的积分：

∫sinh⁡(x) dx=cosh⁡(x)+C\int \sinh(x) \, dx = \cosh(x) + C∫sinh(x)dx=cosh(x)+C

∫cosh⁡(x) dx=sinh⁡(x)+C\int \cosh(x) \, dx = \sinh(x) + C∫cosh(x)dx=sinh(x)+C

逆双曲函数的积分：

∫1x2+1 dx=arsinh(x)+C\int \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} \, dx = \text{arsinh}(x) + C∫x2+1 ​1​dx=arsinh(x)+C

∫1x2−1 dx=arcosh(x)+C(x>1)\int \frac{1}{\sqrt{x^2 - 1}} \, dx = \text{arcosh}(x) + C \quad (x > 1)∫x2−1 ​1​dx=arcosh(x)+C(x>1)

这些公式是解决基本积分问题的起点，但是在实际应用中，你可能需要结合多种积分技巧，如换元积分法、分部积分法、分式分解等，来解决更复杂的积分问题。记住，积分常数 $C$ 表示积分的不确定性，它在不定积分中总是出现。