微積分
定義
微分
\(\mathrm{d}y\) 就是對 \(y\) 的微分，是對 \(\Delta y\) 的近似.
\(\mathrm{d}y=f'(x)\mathrm{d}x\)
如 \(\mathrm{d}(\sin x)=(\sin x)'\mathrm{d}x=\cos x\mathrm{d}x\)
又發現 \(f'(x)=\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\)
導數是微分和 \(\mathrm{d}x\) 的商，所以導數有時又被稱為微商.
積分
微分用來求出某個已知函數的導函數，而積分是微分的逆運算，是找到一個函數使得它的導函數是某個已知函數.這個函數就是已知函數的原函數.
一般將 \(f(x)\) 認為是導函數，\(F(x)\) 是其原函數.
例如 \(F(x)=-\frac12\cos2x\) 是 \(f(x)=\sin2x\) 在 \((-\infty,+\infty)\) 上的原函數.
定理1
若函數 \(f\) 在區間 \(I\) 上連續，則 \(f\) 在 \(I\) 上存在原函數 \(F\).
定理2
若 \(F\) 是 \(f\) 在區間 \(I\) 上的原函數，則
\((i) F+C\) 也是 \(f\) 在區間 \(I\) 上的原函數，其中 \(C\) 為任意常數.
\((ii) f\) 在 \(I\) 上的任意兩個原函數之間，只可能相差一個常數.
不定積分
函數 \(f\) 在區間 \(I\) 上的全體原函數稱為 \(f\) 在 \(I\) 上的不定積分，記做
\[\int f(x)\mathrm dx. \]
若 \(F\) 是 \(f\) 的一個原函數，則 \(f\) 的不定積分是一個函數群 \(|F+C|\)，寫作
\[\int f(x)\mathrm dx=F(x)+C. \]
有
\[[\int f(x)\mathrm dx]'=f(x)\\\mathrm d\int f(x)\mathrm dx=f(x)\mathrm dx \]
其中，\(d\) 是微分運算.
基本積分表
大部分積分都難以計算，我們只能將其轉換成一些已知的積分.
\[\begin{align*} &1.\int0\mathrm dx=C.\\ &2.\int1\mathrm dx=\int\mathrm dx=x+C.\\ &3.\int x^a\mathrm dx=\dfrac{x^{a+1}}{a+1}+C(a\ne-1,x>0).\\ &4.\int\dfrac1x\mathrm dx=\ln |x|+C(x\ne0).\\ &5.\int e^x\mathrm dx=e^x+C.\\ &6.\int a^x\mathrm dx=\dfrac{a^x}{\ln a}+C(a>0,a\ne1).\\ &7.\int\cos ax\mathrm dx=\dfrac1a\sin ax+C(a\ne0).\\ &8.\int\sin ax\mathrm dx=-\dfrac1a\cos ax+C(a\ne0).\\ &9.\int\sec^2x\mathrm dx=\tan x+C.\\ &10.\int\csc^2x\mathrm dx=-\cot x+C.\\ &11.\int\sec x\cdot\tan x\mathrm dx=\sec x+C.\\ &12.\int\csc x\cdot\cot x\mathrm dx=-\csc x+C.\\ &13.\int\dfrac{\mathrm dx}{\sqrt{1-x^2}}=\arcsin x+C=-\arccos x+C_1.\\ &14.\int\dfrac{\mathrm dx}{1+x^2}=\arctan x+C=-\operatorname{arccot} x+C_1.\\ \end{align*} \]
但像 \(\ln x,\tan x\) 等基本初等函數，現在仍然沒有求出他們的原函數.
不定積分線性法則
若 \(f\) 與 \(g\) 在區間 \(I\) 上都存在原函數，\(k_1,k_2\) 是兩個任意常數，則 \(k_1f+k_2g\) 在區間 \(I\) 上也存在原函數，且
\[\int[k_1f(x)+k_2g(x)]\mathrm dx=k_1\int f(x)\mathrm dx+k_2\int g(x)\mathrm dx. \]
證：
\[\begin{align*} [k_1\int f(x)\mathrm dx+k_2\int g(x)\mathrm dx]'&=k_1(\int f(x)\mathrm dx)'+k_2(\int f(x)\mathrm dx)'\\ &=k_1f(x)+k_2g(x). \end{align*} \]
線性法則的一般形式為
\[\int(\sum_{i=1}^nk_if_i(x))\mathrm dx=\sum_{i=1}^n(k_i\int f_i(x)\mathrm dx). \]
由此可以將一個積分拆開來分別積分然后相加得到原積分.
例
- 求 \(\int(10^x-10^{-x})^2\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int(10^x-10^{-x})^2\mathrm dx&=\int(10^{2x}+10^{-2x}-2)\mathrm dx\\ &=\int[(10^2)^x+(10^{-2})^x-2]\mathrm dx\\ &=\dfrac{(10^2)^x}{\ln (10^2)}+\dfrac{(10^{-2})^x}{\ln (10^{-2})}-2x+C\\ &=\dfrac{1}{2\ln 10}(10^{2x}-10^{-2x})-2x+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int(1-x+x^3-\frac{1}{\sqrt[3]{x^2}})\mathrm dx.\)
\[\int(1-x+x^3-\frac{1}{\sqrt[3]{x^2}})\mathrm dx=x-\frac12x^2+\frac14x^4-3x^{\frac13}+C. \]
- 求 \(\int(2^x+3^x)\mathrm dx.\)
\[\int(2^x+3^x)\mathrm dx=\frac{1}{\ln 4}4^x+\frac{2}{\ln 6}6^x+\frac{1}{\ln 9}9^x+C. \]
- 求 \(\int\sin^2x\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int\sin^2x\mathrm dx&=\frac12\int2\sin^2\mathrm dx\\ &=\frac12\int(1-\cos2x)\mathrm dx\\ &=\frac12(x-\frac12\sin2x)+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int\frac{\cos2x}{\cos^2x\cdot\sin^2x}\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int\frac{\cos2x}{\cos^2x\cdot\sin^2x}\mathrm dx&=\int\frac{\cos^2x-\sin^2x}{\cos^2x\cdot\sin^2x}\mathrm dx\\ &=\int(\frac{1}{\sin^2x}-\frac{1}{\cos^2x})\mathrm dx \\ &=\int(\csc^2x-\sec^2x)\mathrm dx \\ &=-\cot x-\tan x+C. \end{align*} \]
換元積分法
感性理解：就是把前面的一些項放進后面的 \(\mathrm dx\) 里，使 \(\mathrm dx\) 變成前面剩下的式子的形式，或者把前面的項變成 \(\mathrm d\) 里面的項的形式.
前者稱為第一換元積分法，后者稱為第二換元積分法.
注意到 \(d(f)=f'\mathrm dx\).
例
- 求 \(\int\tan x\mathrm dx.\)
\[\int\tan x\mathrm dx=\int\frac{\sin x}{\cos x}\mathrm dx \]
由 \(-\sin x\mathrm dx=\mathrm d(\cos x)\)
則
\[\begin{align*} \int\frac{\sin x}{\cos x}\mathrm dx&=-\int\frac{1}{\cos x}\mathrm d(\cos x)\\ &=-\ln|\cos x|+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int\frac{\mathrm dx}{a^2+x^2}(a>0).\)
\[\begin{align*} \int\frac{\mathrm dx}{a^2+x^2}&=\int\frac{(\dfrac1a)^2\mathrm dx}{1+(\dfrac xa)^2}\\ &=\frac1a\int\frac{\mathrm d(\dfrac xa)}{1+(\dfrac xa)^2}\\ &=\frac1a\arctan\frac xa+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int\cos(3x+4)\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int\cos(3x+4)\mathrm dx&=\frac13\int\cos(3x+4)\mathrm d(3x+4)\\ &=\frac13\sin(3x+4)+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int xe^{2x^2}\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int xe^{2x^2}\mathrm dx&=\int xe^{2x^2}\frac{\mathrm d(2x^2)}{4x}\\ &=\frac14\int e^{2x^2}\mathrm d(2x^2)\\ &=\frac14e^{2x^2}+C. \end{align*} \]
- 求\(\int\frac{\mathrm dx}{2x+1}.\)
\[\begin{align*} \int\frac{\mathrm dx}{2x+1}&=\frac12\int\frac{\mathrm d(2x+1)}{2x+1}\\ &=\frac12\ln|2x+1|+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int(1+x)^n\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int(1+x)^n\mathrm dx&=\int(1+x)^n\mathrm d(1+x)\\ &=\frac{(1+x)^{n+1}}{n+1}+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int\frac{\mathrm dx}{\sqrt[3]{7-5x}}\).
\[\begin{align*} \int\frac{\mathrm dx}{\sqrt[3]{7-5x}}&=-\frac15\int(7-5x)^{-\frac13}\mathrm d(7-5x)\\ &=-\frac{3}{10}(7-5x)^{\frac23}+C. \end{align*} \]
- 求\(\int\sqrt{a^2-x^2}\mathrm dx(a>0).\)
令 \(t=\arcsin \dfrac xa,|t|\leq\dfrac\pi2\) （這是存在反函數 \(t=\arcsin\dfrac xa\) 的一個單調區間）.
則 \(x=a\sin t\)，於是
\[\begin{align*} \int\sqrt{a^2-x^2}\mathrm dx&=\int\sqrt{a^2-a^2\sin^2 t}\mathrm d(a\sin t)\\ &=a^2\int \cos^2 t\mathrm dt\\ &=a^2\int (1-\sin^2 t)\mathrm dt\\ &=a^2\int \frac{1+\cos^2t-\sin^2t}2\mathrm dt\\ &=\frac{a^2}2\int(1+\cos2t)\mathrm dt\\ &=\frac{a^2}2(t+\frac12\sin2t)\\ &=\frac{a^2}2(\arcsin\frac xa+\sin t\cos t)\\ &=\frac{a^2}2(\arcsin\frac xa+\frac xa\sqrt{1-(\frac xa)^2})\\ &=\frac12(a^2\arcsin\frac xa+x\sqrt{a^2-x^2})+C. \end{align*} \]
分部積分法
由乘積求導法，可以導出分部積分法.
定理：若 \(u(x)\) 和 \(v(x)\) 可導，不定積分 \(\int u'(x)v(x)\mathrm dx\) 存在，則 \(\int u(x)v'(x)\mathrm dx\) 也存在，並有：
\[\int u(x)v'(x)\mathrm dx=u(x)v(x)-\int u'(x)v(x)\mathrm dx. \]
證：由
\[[u(x)v(x)]'=u'(x)v(x)+u(x)v'(x) \]
兩邊求不定積分，得到：
\[u(x)v(x)=\int u(x)v'(x)\mathrm dx+\int u'(x)v(x)\mathrm dx,\\ \int u(x)v'(x)\mathrm dx=u(x)v(x)-\int u'(x)v(x)\mathrm dx. \]
即為上式.
這個公式稱為分部積分公式，注意到 \(d(f)=f'\mathrm dx\)，這個公式常簡寫作
\[\int u\mathrm dv=uv-\int v\mathrm du. \]
利用該式計算積分即為分部積分法.
例
- 求 \(\int \arcsin x\mathrm dx.\)
此處看到一個隱函數求導的方法：求\((\arcsin x)'\)
令 \(y=\arcsin x\)，則 \(\sin y=x\)，把 \(\sin y\) 看做復合函數，對兩邊求導得
\(\cos y\cdot y'=1\)，則 \(y'=\dfrac{1}{\cos y}=\dfrac{1}{\sqrt{1-\sin^2 y}}=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)
所以 \((\arcsin x)'=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)
那么
\[\begin{align*} \int \arcsin x\mathrm dx&=x\arcsin x-\int x\mathrm d(\arcsin x)\\ &=x\arcsin x-\int \frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\mathrm dx\\ &=x\arcsin x-\int x(1-x^2)^{-\frac12}\frac{\mathrm d(1-x^2)}{-2x}\\ &=x\arcsin x+\frac12\int(1-x^2)^{-\frac12}\mathrm d(1-x^2)\\ &=x\arcsin x+\frac12\frac{(1-x^2)^{\frac12}}{\frac12}\\ &=x\arcsin x+(1-x^2)^{\frac12}+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int \ln x\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int \ln x\mathrm dx&=x\ln x-\int x\mathrm d(\ln x)\\ &=x\ln x-\int\mathrm dx\\ &=x\ln x-x+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int x^2\cos x\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int x^2\cos x\mathrm dx&=\int x^2\mathrm d(\sin x)\\ &=x^2\sin x-\int\sin x\mathrm d(x^2)\\ &=x^2\sin x-2\int x\sin x\mathrm dx\\ &=x^2\sin x+2\int x\mathrm d(\cos x)\\ &=x^2\sin x+2(x\cos x-\int \cos x\mathrm dx)\\ &=x^2\sin x+2(x\cos x-\sin x)\\ &=x^2\sin x+2x\cos x-2\sin x+C. \end{align*} \]
- 求 \(\int \frac{\ln x}{x^3}\mathrm dx.\)
\[\begin{align*} \int \frac{\ln x}{x^3}\mathrm dx&=\int x^{-3}\ln x\mathrm dx\\ &=-\frac12\int\ln x\mathrm d(x^{-2})\\ &=-\frac12(x^{-2}\ln x-\int x^{-2}\mathrm d(\ln x))\\ &=-\frac12(x^{-2}\ln x-\int x^{-3}\mathrm dx)\\ &=-\frac12(x^{-2}\ln x+\frac12x^{-2})\\ &=-\frac{\frac12+\ln x}{2x^2}+C. \end{align*} \]
定積分
不定積分是求導的逆運算，定積分則是某種特殊和式的極限，他們本質不同，但形式類似，又有偉大的牛頓-萊布尼茨公式，所以我們可以用解不定積分的方法來解決定積分的問題.
定積分一個經典的運用是求函數圖形面積.
我們計算一個函數 \(f\) 的一部分與 \(x\) 軸，和兩條直線圍成的封閉圖形的面積，將 \(\mathrm dx\) 視作橫坐標的變化量，將 \(f(x)\) 視作高度，當 \(\mathrm dx\) 無窮小時，該圖形面積可以表示為
\[\int_a^bf(x)\mathrm dx, \]
由牛頓-萊布尼茨公式，有
\[\int_a^bf(x)\mathrm dx=F(b)-f(a)=F(x)|_a^b. \]
計算圖形面積
- 求 \(y=\dfrac1x\) 從 \(1\) 到 \(2\) 與 \(x\) 軸圍成的面積
即為
\[\int_1^2\frac1x\mathrm dx=\ln x|_1^2=\ln2-\ln1=\ln2 \]
- 求 \(y=\sin x\) 從 \(0\) 到 \(\pi\) 的面積
即為
\[\int_0^\pi\sin x\mathrm dx=-\cos x|_0^\pi=-\cos\pi+\cos0=2 \]
- 推導圓的面積公式：
求 \(\frac14\) 圓的面積
即為
\[\begin{align*} \int_0^r\sqrt{r^2-x^2}\mathrm dx&=\frac12(r^2\arcsin\frac xr+x\sqrt{r^2-x^2})|_0^r\\ &=\frac{\pi r^2}{4}-0\\ &=\frac{\pi r^2}{4} \end{align*} \]
所以圓面積公式為 \(4\times \dfrac{\pi r^2}{4}=\pi r^2\).
第一步的變換是換元積分法的例8.
21.11.3
