多元闭区域 $D:g(x,y)\le C$ 求最值
▼前提$f(x,y)$ 在闭区域 $D$ 二阶连续可微,$D$ 是由一条或多条曲线围成的有界闭区域。
规则 1:$f=Ax^2+By^2+$一次项(无交叉项)
1-1:$A,B$ 同号(都正/都负)
✅ 内部存在极值点,必须求内部驻点,纳入候选。
• $A>0,B>0$:内部驻点是极小值点
• $A<0,B<0$:内部驻点是极大值点
边界:闭合单曲线 → 拉格朗日/二转一;边界分段(圆弧+线段)→ 分段单独算。
1-2:$A,B$ 一正一负
✅ 内部驻点是鞍点,不是极值点,内部不可能产生最值。
👉 小题:跳过内部驻点,直接算边界
👉 大题:一句话说明"内部为鞍点,无内部极值,最值仅在边界"
规则 2:$f$ 含交叉乘积项($xy,\;x^2y^2$)
例:$f=x^2+2y^2-x^2y^2$
✅ 强制必须求内部驻点,内部有可能产生极值。
边界照常:分段就分段算,单闭合曲线可用拉格朗日/二转一。
❌ 不能直接不等式放缩!
规则 3:看边界结构(决定边界怎么算)
单条闭合曲线(椭圆、整圆),没有分段:
👉 直接拉格朗日乘数法,一次性求出边界全部候选;也可以二转一代入。
多段拼接(半圆:圆弧+底边;扇形等):
👉 分段处理!每一段单独计算。拉格朗日只能处理等式曲线段,直线段单独代入。
无交叉、系数同号,内部极值要算到;
无交叉、一正一负,内部鞍点不用瞧;
一见交叉乘积项,内部驻点必求上;
边界单段拉格朗日,边界分段分开搞。
题目:求 $f(x,y)=x^2+2y^2-x^2y^2$ 在区域 $D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le 4,\;y\ge 0\}$ 上的最大值和最小值。
判断出现交叉项 $-x^2y^2$ → 规则2:必须求内部驻点 + 边界分段。
内部驻点:$(\pm\sqrt{2},\,1)$,$f(\pm\sqrt{2},1)=2+2-2=2$。
边界2(底边 $y=0,\;-2\le x\le 2$):
$f(x,0)=x^2$,范围 $[0,4]$。$f(\pm2,0)=4$,$f(0,0)=0$。
边界1(圆弧 $x^2+y^2=4,\;y\ge 0$):用二转一,$x^2=4-y^2$: $$f=(4-y^2)+2y^2-(4-y^2)y^2=y^4-3y^2+4$$ 令 $t=y^2\in[0,4]$,$g(t)=t^2-3t+4$,对称轴 $t=\frac{3}{2}$:
- $t=\frac{3}{2}$:$g=\frac{9}{4}-\frac{9}{2}+4=\frac{7}{4}=1.75$
- $t=0$:$g=4$(对应 $(\pm2,0)$,与底边重合)
- $t=4$:$g=16-12+4=8$(对应 $(0,2)$)
题目:函数 $z=x^2+y^2-6x+8y$ 在圆域 $x^2+y^2\le 100$ 上的最大值与最小值?
A. 200,-25 B. 180,0 C. 205,-15 D. 190,10
判断$A=1>0,B=1>0$ 同号 → 规则1-1:必须求内部驻点。
二阶判别:$A=2>0,\;AC-B^2=4>0$ → 极小值点。
代入 $x^2+y^2=100$:$\frac{25}{16}y^2=100 \Rightarrow y=\pm8$。
- $y=8,\;x=-6$:$z(-6,8)=36+64+36+64=\mathbf{200}$
- $y=-8,\;x=6$:$z(6,-8)=36+64-36-64=0$
题目:当 $x\ge0,\;y\ge0$ 时,$x^2+y^2\le k\,e^{x+y}$ 恒成立,求 $k$ 的取值范围。
变形分离参数:$k\ge \dfrac{x^2+y^2}{e^{x+y}}=(x^2+y^2)e^{-(x+y)}\triangleq g(x,y)$。
问题转化为求 $g(x,y)$ 在第一象限(含坐标轴)的最大值。
注意本题是无界区域,除内部驻点和边界外,还要单独看无穷远处极限。
两式相减得 $x=y$,代入:$2x=2x^2 \Rightarrow 2x(x-1)=0$。
$x>0 \Rightarrow x=y=1$。$g(1,1)=\dfrac{1+1}{e^2}=\dfrac{2}{e^2}$。
$x=0,\;y\ge0$:$g(0,y)=\dfrac{y^2}{e^y}$。
令 $\varphi(y)=y^2e^{-y}$,$\varphi'(y)=e^{-y}(2y-y^2)$,驻点 $y=2$。
$\varphi(2)=\dfrac{4}{e^2}$。
$y=0,\;x\ge0$:对称,驻点 $x=2$,$g(2,0)=\dfrac{4}{e^2}$。
- $(1,1)$:$\dfrac{2}{e^2}\approx0.27$
- $(2,0),\;(0,2)$:$\dfrac{4}{e^2}\approx0.54$
- 无穷远:$0$
- $g(x,y)$ 不是二次多项式 → 必须求内部驻点
- 无界区域 → 边界(坐标轴)+ 无穷远极限都要算
- 恒成立问题分离参数后,转化为求函数最值
基本初等函数导数表
▼常数 / 幂 / 指数 / 对数
$(C)'=0$
$(x^\mu)'=\mu x^{\mu-1}$ ($\mu$ 为常数)
$(a^x)'=a^x\ln a$ ($a>0,\;a\ne1$)
$(e^x)'=e^x$
$(\log_a x)'=\dfrac{1}{x\ln a}$ ($a>0,\;a\ne1,\;x>0$)
$(\ln x)'=\dfrac{1}{x}$ ($x>0$)
三角函数
$(\sin x)'=\cos x$ $(\cos x)'=-\sin x$
$(\tan x)'=\sec^2 x$ ($x\ne\frac{\pi}{2}+k\pi$) $(\cot x)'=-\csc^2 x$ ($x\ne k\pi$)
$(\sec x)'=\sec x\tan x$ ($x\ne\frac{\pi}{2}+k\pi$) $(\csc x)'=-\csc x\cot x$ ($x\ne k\pi$)
反三角函数
$(\arcsin x)'=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}$ ($|x|<1$) $(\arccos x)'=-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}$
$(\arctan x)'=\dfrac{1}{1+x^2}$ $(\text{arccot}\,x)'=-\dfrac{1}{1+x^2}$
补充$(\text{arcsec}\,x)'=\dfrac{1}{x\sqrt{x^2-1}}$ $(\text{arccsc}\,x)'=-\dfrac{1}{x\sqrt{x^2-1}}$ ($|x|>1$,选学)
双曲函数(补充)
$(\mathrm{sh}\,x)'=\mathrm{ch}\,x$ $(\mathrm{ch}\,x)'=\mathrm{sh}\,x$
$(\mathrm{th}\,x)'=\mathrm{sech}^2\,x$
求导法则
▼四则运算法则
$(u\pm v)'=u'\pm v'$
$(uv)'=u'v+uv'$
$\left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}$ ($v\ne0$)
$(Cu)'=Cu'$ ($C$ 为常数)
复合函数求导(链式法则)
$\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{dy}{du}\cdot\dfrac{du}{dx}$ 即 “外层导数 × 内层导数”
$\big[f(\varphi(x))\big]'=f'[\varphi(x)]\cdot\varphi'(x)$
适用于任意有限重复合。
反函数求导法则
一阶:$\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{1}{\frac{dx}{dy}}$ ($f'(x)\ne0$)
二阶:$\dfrac{d^2x}{dy^2}=-\dfrac{f''(x)}{[f'(x)]^3}$
隐函数求导法则
方程 $F(x,y)=0$ 确定隐函数 $y=y(x)$:两端对 $x$ 求导,把 $y$ 视为 $x$ 的函数(含 $y$ 的项用链式法则),再解出 $y'$。
例:$x^2+y^2=1$ 两端求导得 $2x+2yy'=0$,即 $y'=-\dfrac{x}{y}$($y\ne0$)。
参数方程求导法则
设 $x=x(t),\;y=y(t)$,$x'(t)\ne0$:
$\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{y'(t)}{x'(t)}$
$\dfrac{d^2y}{dx^2}=\dfrac{y''(t)x'(t)-x''(t)y'(t)}{[x'(t)]^3}$
对数求导法(幂指函数)
$y=u(x)^{v(x)}$($u(x)>0$):先取对数再求导
$\ln y=v\cdot\ln u$
$\dfrac{y'}{y}=v'\cdot\ln u+v\cdot\dfrac{u'}{u}$,即 $y'=y\cdot\left(v'\ln u+v\cdot\dfrac{u'}{u}\right)$
常用高阶导数公式
▼记 $f^{(n)}(x)$ 为 $f(x)$ 的 $n$ 阶导数($n$ 为正整数)。
$(x^\mu)^{(n)}=\mu(\mu-1)\cdots(\mu-n+1)\,x^{\mu-n}$
$(a^x)^{(n)}=a^x(\ln a)^n$ $(e^x)^{(n)}=e^x$
$(\sin x)^{(n)}=\sin\left(x+\dfrac{n\pi}{2}\right)$ $(\cos x)^{(n)}=\cos\left(x+\dfrac{n\pi}{2}\right)$
$(\ln x)^{(n)}=(-1)^{n-1}\dfrac{(n-1)!}{x^n}$ ($x>0$)
$(\ln(1+x))^{(n)}=(-1)^{n-1}\dfrac{(n-1)!}{(1+x)^n}$ ($x>-1$)
$\left(\dfrac{1}{ax+b}\right)^{(n)}=(-1)^n\dfrac{a^n\,n!}{(ax+b)^{n+1}}$ ($a\ne0$)
莱布尼茨公式(乘积的 n 阶导数)
$(uv)^{(n)}=\displaystyle\sum_{k=0}^{n} C_n^k\,u^{(n-k)}v^{(k)}$
和 $(a+b)^n$ 的二项式展开同构,$C_n^k=\dfrac{n!}{k!(n-k)!}$。
变上限积分求导 & 其他结论
▼变上限积分求导
$\left(\displaystyle\int_a^x f(t)dt\right)'=f(x)$
$\left(\displaystyle\int_a^{\varphi(x)} f(t)dt\right)'=f(\varphi(x))\cdot\varphi'(x)$
$\left(\displaystyle\int_{\varphi(x)}^{\psi(x)} f(t)dt\right)'=f(\psi(x))\cdot\psi'(x)-f(\varphi(x))\cdot\varphi'(x)$
记忆要点:上限代入 × 上限导数 − 下限代入 × 下限导数
下限为常数时,该项为 0。
其他常用结论
$(x^x)'=x^x(\ln x+1)$ ($x>0$,由对数求导法)
反双曲函数(补充):$(\mathrm{arsh}\,x)'=\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}$
$(\mathrm{arch}\,x)'=\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}}$ ($x>1$) $(\mathrm{arth}\,x)'=\dfrac{1}{1-x^2}$ ($|x|<1$)
经典例题
▼题目:设 $y=\sin(2x+1)$,求 $y'$。
套路:先外后内,逐层求导相乘,内层导数漏乘是最高频错误。
题目:设 $x^2+y^2=1$($y>0$),求 $y'$ 与 $y''$。
题目:设 $x=\cos t,\;y=\sin t$($t\in(0,\frac{\pi}{2})$),求 $\dfrac{dy}{dx}$ 与 $\dfrac{d^2y}{dx^2}$。
注意:二阶导是 一阶导再对 $t$ 求导后除以 $x'(t)$,不是直接对 $\frac{dy}{dx}$ 求导。
题目:设 $y=x^x$($x>0$),求 $y'$。
题目:求 $\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^2}\sin t\,dt$。
常犯错误:忘记乘上限导数 $(x^2)'=2x$。
题目 1:求 $\sin x$ 的 10 阶导数 $f^{(10)}(x)$。
题目 2:设 $u=x^2,\;v=e^x$,用莱布尼茨公式求 $(uv)^{(3)}$。
套路:多项式和指数/三角相乘的高阶导,用莱布尼茨公式,项数 $n+1$ 有限,逐项写。
预备知识(公式速查)
▼立方公式
立方和:$a^3+b^3=(a+b)(a^2-ab+b^2)$
立方差:$a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2)$
完全立方:$(a\pm b)^3=a^3\pm 3a^2b+3ab^2\pm b^3$
对数公式
恒等变形:$a=e^{\ln a}=\ln e^a$
乘法:$\ln ab=\ln a+\ln b$
除法:$\ln\frac{a}{b}=\ln a-\ln b$
换底:$\log_a b=\dfrac{\ln b}{\ln a}$
三角公式
两角和差:$\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\beta$
$\cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\beta$
二倍角:$\sin 2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha$
$\cos 2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha$
降幂:$\cos^2\alpha=\dfrac{1+\cos 2\alpha}{2}$,$\sin^2\alpha=\dfrac{1-\cos 2\alpha}{2}$
和差化积:$\sin\alpha+\sin\beta=2\sin\frac{\alpha+\beta}{2}\cos\frac{\alpha-\beta}{2}$
$\sin\alpha-\sin\beta=2\cos\frac{\alpha+\beta}{2}\sin\frac{\alpha-\beta}{2}$
$\cos\alpha+\cos\beta=2\cos\frac{\alpha+\beta}{2}\cos\frac{\alpha-\beta}{2}$
$\cos\alpha-\cos\beta=-2\sin\frac{\alpha+\beta}{2}\sin\frac{\alpha-\beta}{2}$
特殊值
$\sin\frac{\pi}{6}=\frac12,\;\sin\frac{\pi}{4}=\frac{\sqrt2}{2},\;\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt3}{2},\;\sin\frac{\pi}{2}=1,\;\sin\pi=0$
$\cos\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt3}{2},\;\cos\frac{\pi}{4}=\frac{\sqrt2}{2},\;\cos\frac{\pi}{3}=\frac12,\;\cos\frac{\pi}{2}=0,\;\cos\pi=-1$
$\tan\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt3}{3},\;\tan\frac{\pi}{4}=1,\;\tan\frac{\pi}{3}=\sqrt3$
正割余割 / 反三角 / 万能公式
$\sec x=\dfrac{1}{\cos x}$,$\csc x=\dfrac{1}{\sin x}$
$\sec^2 x=1+\tan^2 x$,$\csc^2 x=1+\cot^2 x$
$\arcsin x+\arccos x=\dfrac{\pi}{2}$,$\arctan x+\text{arccot}\,x=\dfrac{\pi}{2}$
分段恒等式:$\arctan x+\arctan\dfrac{1}{x}=\begin{cases}\dfrac{\pi}{2},&x>0\\[2pt]-\dfrac{\pi}{2},&x<0\end{cases}$ ($x\ne0$;做题先看定义域)
万能公式:$\sin 2x=\dfrac{2\tan x}{1+\tan^2 x}$,$\cos 2x=\dfrac{1-\tan^2 x}{1+\tan^2 x}$
基本概念 & 导积关系(基本积分表)
▼不定积分 = 找原函数(找谁干的)。常数随意进出,微分内任意加减常数。
$\int f(x)dx=F(x)+C \Leftrightarrow F'(x)=f(x)$
定/反常积分 = $F(x)\Big|_a^b=F(b)-F(a)$
幂函数 / 多项式
$\int x^\alpha dx=\dfrac{1}{\alpha+1}x^{\alpha+1}+C\quad(\alpha\ne-1)$
$\int x\,dx=\frac12 x^2$,$\int x^2 dx=\frac13 x^3$
$\int \sqrt{x}\,dx=\frac23 x^{3/2}$,$\int x^{3/2}dx=\frac25 x^{5/2}$
$\int \frac{1}{x}dx=\ln|x|+C$
$\int \frac{1}{x^2}dx=-\frac1x$,$\int \frac{1}{x^3}dx=-\frac{1}{2x^2}$
$\int \frac{1}{\sqrt{x}}dx=2\sqrt{x}$,$\int \frac{1}{\sqrt{x^3}}dx=-\frac{2}{\sqrt{x}}$
指数 / 对数
$\int a^x dx=\dfrac{a^x}{\ln a}+C$
$\int e^x dx=e^x+C$,$\int e^{-x}dx=-e^{-x}+C$
$\int \ln x\,dx=x\ln x-x+C$
三角
$\int \sin x\,dx=-\cos x+C$,$\int \cos x\,dx=\sin x+C$
$\int \tan x\,dx=-\ln|\cos x|+C$,$\int \cot x\,dx=\ln|\sin x|+C$
$\int \sec x\,dx=\ln|\sec x+\tan x|+C$
$\int \csc x\,dx=\ln|\csc x-\cot x|+C$
$\int \sec^2 x\,dx=\tan x+C$,$\int \csc^2 x\,dx=-\cot x+C$
$\int \sec x\tan x\,dx=\sec x+C$,$\int \csc x\cot x\,dx=-\csc x+C$
含 $a^2\pm x^2$ / 根式
$\int \dfrac{1}{1+x^2}dx=\arctan x+C$
$\int \dfrac{1}{a^2+x^2}dx=\dfrac{1}{a}\arctan\dfrac{x}{a}+C$
$\int \dfrac{1}{1-x^2}dx=\frac12\ln\left|\dfrac{1+x}{1-x}\right|+C$
$\int \dfrac{1}{a^2-x^2}dx=\dfrac{1}{2a}\ln\left|\dfrac{a+x}{a-x}\right|+C$
$\int \dfrac{1}{x^2-a^2}dx=\dfrac{1}{2a}\ln\left|\dfrac{x-a}{x+a}\right|+C$
$\int \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx=\arcsin x+C$
$\int \dfrac{1}{\sqrt{a^2-x^2}}dx=\arcsin\dfrac{x}{a}+C$
$\int \dfrac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}dx=\ln|x+\sqrt{x^2-a^2}|+C$
$\int \dfrac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}dx=\ln(x+\sqrt{x^2+a^2})+C$
根号内二次(必背)
$\int\sqrt{a^2-x^2}dx=\dfrac{x}{2}\sqrt{a^2-x^2}+\dfrac{a^2}{2}\arcsin\dfrac{x}{a}+C$
$\int\sqrt{x^2\pm a^2}dx=\dfrac{x}{2}\sqrt{x^2\pm a^2}\pm\dfrac{a^2}{2}\ln|x+\sqrt{x^2\pm a^2}|+C$
常用导积关系(配对记忆)
$\left(\dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}}\right)'=\dfrac{1}{(1+x^2)^{3/2}}$ ⇔ $\displaystyle\int\dfrac{dx}{(1+x^2)^{3/2}}=\dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}}+C$
$\left(\ln(x+\sqrt{1+x^2})\right)'=\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}$ ⇔ $\displaystyle\int\dfrac{dx}{\sqrt{1+x^2}}=\ln(x+\sqrt{1+x^2})+C$
注意:$\ln(x+\sqrt{1+x^2})=\mathrm{arsh}\,x$,第二条即反双曲正弦的导积关系。
常见高次幂积分(奇凑偶降)
sin/cos 奇次幂:凑微分(拿出一个作为微分,剩下偶次用 $1-\cos^2x$ 等降幂)
$\displaystyle\int\sin^3x\,dx=-\cos x+\frac13\cos^3x+C$
$\displaystyle\int\cos^3x\,dx=\sin x-\frac13\sin^3x+C$
sin/cos 偶次幂:降幂公式 $\sin^2x=\frac{1-\cos2x}{2}$,$\cos^2x=\frac{1+\cos2x}{2}$
$\displaystyle\int\sin^2x\,dx=\frac{x}{2}-\frac{\sin2x}{4}+C$
$\displaystyle\int\cos^2x\,dx=\frac{x}{2}+\frac{\sin2x}{4}+C$
$\displaystyle\int\sin^4x\,dx=\frac{3x}{8}-\frac{\sin2x}{4}+\frac{\sin4x}{32}+C$
$\displaystyle\int\cos^4x\,dx=\frac{3x}{8}+\frac{\sin2x}{4}+\frac{\sin4x}{32}+C$
tan/cot 高次幂:降次套路 $\tan^2x=\sec^2x-1$,$\cot^2x=\csc^2x-1$
$\displaystyle\int\tan^2x\,dx=\tan x-x+C$ $\displaystyle\int\cot^2x\,dx=-\cot x-x+C$
$\displaystyle\int\tan^3x\,dx=\frac12\tan^2x+\ln|\cos x|+C$ $\displaystyle\int\cot^3x\,dx=-\frac12\cot^2x-\ln|\sin x|+C$
$\displaystyle\int\tan^4x\,dx=\frac13\tan^3x-\tan x+x+C$
sec/csc 三次幂:分部积分(重点)
$\displaystyle\int\sec^3x\,dx=\frac12(\sec x\tan x+\ln|\sec x+\tan x|)+C$
$\displaystyle\int\csc^3x\,dx=-\frac12(\csc x\cot x+\ln|\csc x+\cot x|)+C$
sec/csc 四次幂:偶次凑微分($\csc^2x=1+\cot^2x$)
$\displaystyle\int\csc^4x\,dx=-\cot x-\frac13\cot^3x+C$
记忆:偶次凑微分($\sec^2,\csc^2$ 直接背),奇次凑微分 + 分部($\sec^3,\csc^3$ 结果对称);tan/cot 高次:拆 $\tan^2=\sec^2-1$ 逐次降幂。
三大积分法
▼① 凑微分(第一类换元)
核心:$d\varphi(x)=\varphi'(x)dx$,把被积函数拆成 $f(\varphi(x))\varphi'(x)dx=f(u)du$。
常见凑微分:
• $x\,dx=\frac12 d(x^2)$ • $\frac{1}{x}dx=d(\ln x)$ • $\frac{1}{\sqrt{x}}dx=2d(\sqrt{x})$
• $\frac{1}{1+x^2}dx=d(\arctan x)$ • $\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx=d(\arcsin x)$
• $\frac{1}{\sqrt{x\pm a}}dx=2d\sqrt{x\pm a}$ • $e^x dx=d(e^x)$
• $\cos x\,dx=d(\sin x)$,$\sin x\,dx=-d(\cos x)$
经典例:$\displaystyle\int\frac{x}{1+x^2}dx=\frac12\int\frac{d(1+x^2)}{1+x^2}=\frac12\ln(1+x^2)+C$
套路:分子凑成分母的导数,整体换元 $u=1+x^2$。
② 分部积分
公式:$\int u\,dv=uv-\int v\,du$
列表法(上导下积):对角相乘、正负相间、竖线积分。遇到障碍就平移。
导积寸止符:幂函数导数 → 0;循环积分 → $I$ 的常数倍;复杂情况 → 可积分时停。
选 $u$ 顺序(反对幂三指):反三角 > 对数 > 幂函数 > 三角 > 指数。谁在前谁当 $u$。
行列式速算:$\int e^{\alpha x}\sin\beta x\,dx=\dfrac{e^{\alpha x}(\alpha\sin\beta x-\beta\cos\beta x)}{\alpha^2+\beta^2}$
$\int e^x\sin x\,dx=\frac12 e^x(\sin x-\cos x)+C$
$\int e^{2x}\sin x\,dx=\frac15 e^{2x}(2\sin x-\cos x)+C$
③ 换元法
三角代换(根号下平方和差):
• $\sqrt{a^2-x^2}$:令 $x=a\sin t$
• $\sqrt{a^2+x^2}$:令 $x=a\tan t$
• $\sqrt{x^2-a^2}$:令 $x=a\sec t$
换回来时画三角形。
根式代换(根号下一次方):$\sqrt[n]{ax+b}=t$;多个根取最小公倍数。
倒代换:令 $x=\frac1t$,适用分母次数较高。
万能代换:令 $\tan\frac{x}{2}=t$,则 $\sin x=\frac{2t}{1+t^2}$,$\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2}$。适用三角有理式,计算量大,非必要不用。
整体代换:令复杂函数 $=t$。
定积分独有方法
▼奇偶性(对称区间偶倍奇零)
设 $f(x)$ 在 $[-a,a]$ 上连续:
$\displaystyle\int_{-a}^a f(x)dx=\begin{cases}2\int_0^a f(x)dx,&f\text{ 偶}\\0,&f\text{ 奇}\end{cases}$
非奇非偶:$f(x)=\frac12[f(x)+f(-x)]+\frac12[f(x)-f(-x)]$,偶 + 奇拆开。
周期性
$f(x)$ 以 $T$ 为周期:$\displaystyle\int_a^{a+T}f(x)dx=\int_0^T f(x)dx$。
从任何点开始积满一个周期都等于从 0 积满一个周期。
平移变换
区间不合适时换元:① 把区间移到题设条件给的区间;② 构造对称区间。
操作手法:区间减函数加 / 区间加函数减。
区间再现(核心理)
操作:令 $x=$ 上限 + 下限 $-t$。
$\displaystyle\int_a^b f(x)dx\;\xlongequal{x=a+b-t}\;\int_a^b f(a+b-t)dt$
适用:分子为分母的其中一项(如 $\int_0^{\pi/2}\frac{\sin x}{\sin x+\cos x}dx$)。
推论1:$\int_0^\pi xf(\sin x)dx=\frac{\pi}{2}\int_0^\pi f(\sin x)dx=\pi\int_0^{\pi/2}f(\sin x)dx$。
推论2:$\int_0^{\pi/2}f(\sin x)dx=\int_0^{\pi/2}f(\cos x)dx$。
Wallis 公式
$\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^n x\,dx=\int_0^{\pi/2}\cos^n x\,dx=\begin{cases}\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac12\cdot\frac{\pi}{2},&n\text{ 偶}\\[4pt]\frac{n-1}{n}\cdot\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac23,&n\text{ 奇}\end{cases}$
记住:偶乘半,奇乘 1。
cos/sin 高次幂定积分
$\int_0^{\pi/2}\cos^2 x\,dx=\frac{\pi}{4}$
$\int_0^\pi\cos^2 x\,dx=2\int_0^{\pi/2}\cos^2 x\,dx=\frac{\pi}{2}$
$\int_0^{2\pi}\cos^2 x\,dx=4\int_0^{\pi/2}\cos^2 x\,dx=\pi$
面积几何应用
$\int_{-1}^1\sqrt{1-x^2}\,dx=\frac{\pi}{2}$(上半圆面积)
$\int_{-R}^R\sqrt{R^2-x^2}\,dx=\frac{\pi R^2}{2}$
特殊反常积分(数一二重点)
▼指数零到无穷
$\displaystyle\int_0^{+\infty}e^{-\alpha x}dx=\frac{1}{\alpha}\quad(\alpha>0)$
泊松积分(Poisson)
$(1)\;\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-x^2}dx=\sqrt{\pi}$
$(2)\;\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-\frac{x^2}{2}}dx=\sqrt{2\pi}$
伽马函数 $\Gamma(\alpha)$
$\Gamma(\alpha)=\displaystyle\int_0^{+\infty}x^{\alpha-1}e^{-x}dx\quad(\alpha>0)$
判断:看到 $x$ 的几次方就是 $\Gamma($几次方+1$)$。
例:$\int_0^{+\infty}x^2 e^{-x}dx=\Gamma(3)=2!=2$;$\int_0^{+\infty}\sqrt{x}\,e^{-x}dx=\Gamma(\frac12)=\sqrt{\pi}$。
性质:$\Gamma(\alpha+1)=\alpha\Gamma(\alpha)$;$\Gamma(1)=1$,$\Gamma(\frac12)=\sqrt{\pi}$;正整数 $n$:$\Gamma(n+1)=n!$。
贝塔函数 $B(p,q)$
$B(p,q)=\displaystyle\int_0^1 x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx=\dfrac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}$
经典:$\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{x(1-x)}}=B(\frac12,\frac12)=\pi$
收敛性判别 · p级数模板(必背)
▼两类反常积分
① 无穷限积分:$\displaystyle\int_a^{+\infty} f(x)\,dx$(还有 $-\infty\to b$、$\pm\infty$ 混合)
② 瑕积分(无界函数):$f(x)$ 在区间内有瑕点(如 $x\to a^+$ 时无界),例 $\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{x}}$
⭐ p 级数模板(核心判别,成对记)
无穷限:$\displaystyle\int_a^{+\infty}\frac{dx}{x^p}\;(a>0)$ ⇒ $p>1$ 收敛,$p\le 1$ 发散
瑕积分:$\displaystyle\int_0^{a}\frac{dx}{x^p}$($x=0$ 为瑕点) ⇒ $p<1$ 收敛,$p\ge 1$ 发散
口诀:无穷限看"分母阶数压不压得住"($p>1$ 收敛);瑕积分结论恰好反过来($p<1$ 收敛)。
常用等价模板
$\displaystyle\int_2^{+\infty}\frac{dx}{x\ln^p x}$:$p>1$ 收敛,$p\le 1$ 发散(对数比幂慢,$p=1$ 也发散)
$\displaystyle\int_0^{\frac12}\frac{dx}{x(\ln x)^p}$(瑕点 $0^+$):$p<1$ 收敛,$p\ge 1$ 发散
$\displaystyle\int_0^{+\infty}x^n e^{-x}dx=\Gamma(n+1)$:任意 $n$ 必收敛(指数衰减压倒一切幂函数)
比较判别法(普通形式)
非负函数:$0\le f(x)\le g(x)$。$g$ 收敛 $\Rightarrow$ $f$ 收敛;$f$ 发散 $\Rightarrow$ $g$ 发散。
极限比较判别法(做题主武器)
无穷限:若 $\displaystyle\lim_{x\to+\infty}x^p f(x)=L$($0<L<+\infty$),则 $\displaystyle\int^{+\infty} f(x)dx$ 与 $\displaystyle\int\frac{dx}{x^p}$ 同敛散。
实操:把 $f(x)$ 的各因子换成等价无穷大/小,凑出 $\dfrac{1}{x^p}$,判 $p$ 是否 $>1$。
瑕点 $x=a$:若 $f(x)\sim\dfrac{1}{(x-a)^p}$,则 $p<1$ 收敛、$p\ge1$ 发散。
绝对收敛 / 条件收敛
$\displaystyle\int|f(x)|dx$ 收敛 $\Rightarrow$ $\int f$ 绝对收敛;$\int f$ 收敛但 $\int|f|$ 发散 $\Rightarrow$ 条件收敛。
经典:$\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x^p}dx$:$p>1$ 绝对收敛;$0<p\le1$ 条件收敛($p=1$ 即 Dirichlet 积分)
结论速查
$\dfrac{1}{x^p}$ 无穷限 $p>1$✓ | 瑕积分 $p<1$✓ | $e^{-x}$ 任意幂必收敛 | $\dfrac{\sin x}{x^p}$:$p>1$ 绝对、$0<p\le1$ 条件
例题
例1 判断 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{dx}{x\sqrt{x}}$ 收敛性。
解:$\dfrac{1}{x\sqrt{x}}=\dfrac{1}{x^{3/2}}$,$p=\frac32>1$ ⇒ 收敛。
例2 判断 $\displaystyle\int_0^1\frac{dx}{\sqrt[3]{x}}$ 收敛性。
解:$\dfrac{1}{x^{1/3}}$,$p=\frac13<1$ ⇒ 收敛(瑕积分,结论与无穷限相反)。
例3 判断 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\arctan x}{x^2+1}dx$。
解:$x\to+\infty$ 时 $\dfrac{\arctan x}{x^2+1}\sim\dfrac{\pi/2}{x^2}$,$p=2>1$ 收敛;$x\to0$ 被积函数有界。 ⇒ 收敛。
化简手法
▼拆项
① 分母有什么分子拆什么(方便约分):$\frac{t^2}{t^2-1}=1+\frac{1}{t^2-1}$
② 一分为二(拆出自己需要的):$e^{2x}=e^x\cdot e^x$,$x=\sqrt{x}\cdot\sqrt{x}$
核心公式:$\dfrac{1}{n(n+1)}=\dfrac1n-\dfrac{1}{n+1}$
提项(外面提,里面除)
① 提高次;② 提根号内一项;③ 提 $e^x$;④ 分子比分母高几次就提几次,然后拆项。
$\dfrac{x^3}{x^2+1}=x-\dfrac{x}{x^2+1}$
同除
① 除最高次;② 除 $e^x$:$\dfrac{1}{1+e^x}=\dfrac{e^{-x}}{e^{-x}+1}$;③ 二次四次除二次。
同乘
① 多项式差几次乘几次;② 利用平方差公式(分母有理化);③ 同乘 $e^x$。
三角函数化简:$\dfrac{1}{1-\sin x}=\dfrac{1+\sin x}{\cos^2 x}=\sec^2 x+\dfrac{\sin x}{\cos^2 x}$
配方(二次多项式)
① 根号内部二次多项式配完全平方:$\sqrt{4x-x^2}=\sqrt{4-(x-2)^2}$
② 质因式分母配方:$\dfrac{1}{x^2-x+1}=\dfrac{1}{(x-\frac12)^2+\frac34}$
经典题型
▼有理函数积分
分子次数 = 分母次数:拆项(多项式 + 真分式)。
分子次数 > 分母次数:先提项后拆项(多项式除法)。
分子次数 < 分母次数:
• 分母质因式:分母二次分子常数 → 先配方后凑微分($\arctan$)。
• 分母二次分子一次:分子拆出分母的导数再配平,拆成 $\ln$ + $\arctan$ 两部分。
例:$\int\dfrac{x+5}{x^2-6x+13}dx=\frac12\ln(x^2-6x+13)+4\arctan\dfrac{x-3}{2}+C$
• 分母可因式分解:分子拆项或待定系数。
混合留数法 ⭐⭐⭐
① 括号里一次,括号外一次:$\dfrac{3x^2+1}{(x-1)(x-2)(x-5)}=\dfrac{A}{x-1}+\dfrac{B}{x-2}+\dfrac{C}{x-5}$,特值法取 $x=1,2,5$ 直接求。
② 括号里一次,括号外高次:$\dfrac{1}{(x-1)(x-2)^3}=\dfrac{C_1}{x-1}+\dfrac{C_2}{x-2}+\dfrac{C_3}{(x-2)^2}+\dfrac{C_4}{(x-2)^3}$,高次幂从低到高都要写。
③ 括号里二次,括号外一次:$\dfrac{2}{(x-1)(x^2+1)}=\dfrac{C_1}{x-1}+\dfrac{C_2 x+C_3}{x^2+1}$,分子比分母底数低一次。
三角函数组合积分(分子拆 A 倍分母 + B 倍分母导)
$\displaystyle\int\frac{C\sin x+D\cos x}{A\sin x+B\cos x}dx$:把分子拆成 $\;C\sin x+D\cos x=E(A\sin x+B\cos x)+F(A\sin x+B\cos x)'$
待定系数解出 $E,F$ 后:$\displaystyle\int=Ex+F\int\frac{(A\sin x+B\cos x)'}{A\sin x+B\cos x}dx=Ex+F\ln|A\sin x+B\cos x|+C$
例 求 $\displaystyle\int\frac{\cos x}{\sin x+\cos x}dx$。
解:$\cos x=E(\sin x+\cos x)+F(\cos x-\sin x)$,对比系数:$E-F=0,\;E+F=1\Rightarrow E=F=\frac12$。
$\displaystyle\int=\frac12 x+\frac12\ln|\sin x+\cos x|+C$。
三角相关化简(5 招)+ 例题
(1) 1 的妙用:$1=\sin^2x+\cos^2x=\sin^2\square+\cos^2\square$;更进一步 $1=1^2=(\sin^2x+\cos^2x)^2$。
(2) cos 消 1(cos 二倍角):$\cos2x=1-2\sin^2x=2\cos^2x-1$。
变形:$\cos2x-1=-2\sin^2x\Rightarrow 1-\cos2x=2\sin^2x$;$\cos2x+1=2\cos^2x\Rightarrow 1+\cos2x=2\cos^2x$。
无 cos 用诱导公式创造:$\sin x=\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)$,再套二倍角。
(3) sincos 与 sin 转化(sin 二倍角):$\sin2x=2\sin x\cos x\Rightarrow\sin x\cos x=\frac{\sin2x}{2}$;$\sin x=2\sin\frac{x}{2}\cos\frac{x}{2}$。
(4) sin+cos 转化为 sin(辅助角):$a\sin x+b\cos x=\sqrt{a^2+b^2}\sin(x+\varphi)$,$\tan\varphi=\frac{b}{a}$。
(5) 分母齐次结构:同除 $\cos$ 的几次方,往 $\tan$ 上靠。
例1 求 $\int\sin^2x\,dx$。
解:cos 消 1:$\sin^2x=\dfrac{1-\cos2x}{2}$,$\Rightarrow\int\sin^2x\,dx=\dfrac{x}{2}-\dfrac{\sin2x}{4}+C$。
例2 求 $\int\dfrac{dx}{1+\sin x}$。
解:同乘 $1-\sin x$:$\dfrac{1}{1+\sin x}=\dfrac{1-\sin x}{\cos^2x}=\sec^2x-\dfrac{\sin x}{\cos^2x}$,积分 $=\tan x-\sec x+C$。
例3 求 $\int\dfrac{\sin x+\cos x}{\sin x-\cos x}dx$。
解:分母齐次,往 tan 靠:分子 $=$ 分母的导,$\displaystyle\int\frac{f'}{f}dx=\ln|\sin x-\cos x|+C$。
三角高次幂(奇偶规则)+ 例题
① $\sin,\cos$ 高次幂:奇数次凑微分(拆出一个),偶数次降幂(二倍角)。
② $\csc,\sec$ 高次幂:偶数次凑微分(凑 $\sec^2x,\csc^2x$),奇数次凑微分 + 分部。
例1 $\int\sin^3x\,dx$(奇次凑微分)。
解:$\int\sin^3x\,dx=\int(1-\cos^2x)\sin x\,dx=-\cos x+\dfrac{\cos^3x}{3}+C$。
例2 $\int\sin^2x\cos^2x\,dx$(偶次降幂)。
解:$\sin^2x\cos^2x=\dfrac{\sin^22x}{4}=\dfrac{1-\cos4x}{8}$,$\int=\dfrac{x}{8}-\dfrac{\sin4x}{32}+C$。
例3 $\int\sec^3x\,dx$(奇次凑微分 + 分部,经典结论)。
解:$\int\sec^3x\,dx=\dfrac12(\sec x\tan x+\ln|\sec x+\tan x|)+C$。
根号下加比减 / 减比加
① 根号下分式 → 解放分子;② 根号下乘积 → 两个因式解放一个。利用平方差同乘,拆成两项做。
变限积分的定积分
① 凑微分分部 ⭐⭐ ② 交换积分次序
求分段函数的不定积分
① 分段分别求,段 $C$ 不一定相同(写 $C_1,C_2$)。
② 原函数可导必连续:连续左极限 = 右极限,确定 $C_1,C_2$ 关系。
一阶微分方程(四大模板套路)
▼① 可分离变量(最先判断)
形如 $y'=f(x)g(y)$:$\dfrac{dy}{g(y)}=f(x)dx$,两边分别积分。
② 齐次方程
形如 $y'=\varphi\left(\dfrac{y}{x}\right)$(右边只含 $y/x$):令 $u=\dfrac{y}{x}$,则 $y=ux$,$y'=u+xu'$,化为可分离变量。
③ 一阶线性(公式法)⭐⭐
$y'+P(x)y=Q(x)$ 通解:$y=e^{-\int Pdx}\left[\int Q\,e^{\int Pdx}dx+C\right]$
要点:① 先化成标准形 $y'+P(x)y=Q(x)$;② $\int Pdx$ 只取一个原函数(不加 $C$);③ 缺 $Q$ 时即齐次,$y=Ce^{-\int Pdx}$。
④ 伯努利方程
$y'+P(x)y=Q(x)y^n\;(n\ne0,1)$:两边同除 $y^n$,令 $z=y^{1-n}$,化为 $z'+(1-n)P(x)z=(1-n)Q(x)$ 一阶线性。
⑤ 全微分方程
$P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0$,若 $\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{\partial Q}{\partial x}$:$u=\int P\,dx+\int\left(Q-\frac{\partial}{\partial y}\int P\,dx\right)dy$,通解 $u=C$。
可降阶的二阶方程
▼类型1:$y''=f(x)$
直接积分两次:$y'=\int f(x)dx+C_1$,$y=\int\left[\int f(x)dx\right]dx+C_1x+C_2$。
类型2:$y''=f(x,y')$(缺 $y$)
令 $p=y'$,则 $y''=p'$:$p'=f(x,p)$ 化为一阶,解出 $p$ 再积分一次。
类型3:$y''=f(y,y')$(缺 $x$)⭐
令 $p=y'$,把 $y$ 当自变量:$y''=\dfrac{dp}{dx}=p\dfrac{dp}{dy}$,化为 $p\dfrac{dp}{dy}=f(y,p)$ 一阶。
易错:此时 $p$ 是 $y$ 的函数,积分别忘最后再换回 $y'=\dfrac{dy}{dx}$。
二阶常系数线性 · 齐次通解
▼$y''+py'+qy=0$ 特征方程:$r^2+pr+q=0$
① 两不等实根 $r_1\ne r_2$:$y=C_1e^{r_1x}+C_2e^{r_2x}$
② 二重根 $r_1=r_2=r$:$y=(C_1+C_2x)e^{rx}$
③ 共轭复根 $r=\alpha\pm i\beta$:$y=e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x)$
口诀:两实根各自指数;重根补一个 $x$;复根指数乘三角。
二阶常系数线性 · 非齐次特解
▼$y''+py'+qy=f(x)$:通解 = 齐次通解 + 一个特解 $y^*$(先求齐次,再设特解)。
情形1:$f(x)=P_n(x)e^{\lambda x}$
设 $y^*=x^k Q_n(x)e^{\lambda x}$:$Q_n$ 为 $n$ 次待定多项式(系数全设 $a_0\ldots a_n$);$k$ 为 $\lambda$ 作为特征根的重数(不是特征根 $k=0$,单根 $k=1$,重根 $k=2$)。
情形2:$f(x)=e^{\lambda x}[P_m(x)\cos\beta x+Q_n(x)\sin\beta x]$
设 $y^*=x^k e^{\lambda x}[R_l(x)\cos\beta x+S_l(x)\sin\beta x]$,其中 $l=\max(m,n)$,$k$ 为 $\lambda\pm i\beta$ 作为特征根的重数。
叠加原理
$f(x)=f_1(x)+f_2(x)$ 时:分别设特解 $y_1^*,y_2^*$,相加即可。
易错三连:① 特解多项式次数取 $\max$;② 千万别漏 $x^k$;③ 三角情形 $\sin,\cos$ 的 $l$ 次多项式都要设齐。
欧拉方程 & 解题套路总览
▼欧拉方程
$x^2y''+pxy'+qy=f(x)$:令 $x=e^t$、$D=\dfrac{d}{dt}$,则 $xy'=Dy$,$x^2y''=D(D-1)y$,化为常系数线性方程。
例:$x^2y''-2xy'+2y=0$ → 令 $x=e^t$:$[D(D-1)-2D+2]y=0$ → $r^2-3r+2=0$,$r=1,2$,$y=C_1e^t+C_2e^{2t}=C_1x+C_2x^2$。
解题套路总览(拿到题先问四句)
① 几阶? 一阶 → 四模板依次试(可分离/齐次/线性/伯努利);二阶 → 看可降阶 or 常系数。
② 缺什么? 二阶缺 $y$ 或缺 $x$ → 可降阶换元;不缺 → 常系数特征方程。
③ 非齐次? 先齐次通解,再按 $f(x)$ 设特解、待定系数。
④ 有初值? 通解求完再代初值定常数,别中途代。
经典真题(带解析)
▼真题1 · 一阶线性
求微分方程 $xy'+(1-x)y=e^x$ 的通解。
解:化为 $y'+\dfrac{1-x}{x}y=\dfrac{e^x}{x}$,$P=\dfrac{1-x}{x}$,$\int Pdx=\ln x-x$。
$y=e^{x-\ln x}\left[\int \dfrac{e^x}{x}e^{\ln x-x}dx+C\right]=e^{x-\ln x}(x+C)=\dfrac{e^x}{x}(x+C)$。
真题2 · 二阶齐次
求 $y''-3y'+2y=0$ 的通解。
解:特征方程 $r^2-3r+2=(r-1)(r-2)=0$,$r_1=1,r_2=2$,通解 $y=C_1e^x+C_2e^{2x}$。
真题3 · 非齐次特解形式(选择题高频)
微分方程 $y''-2y'+y=3xe^x$ 的特解应设为下列哪种形式?
解:特征 $(r-1)^2=0$,$\lambda=1$ 是二重特征根;$f$ 中 $P_1(x)=3x$ 一次 → $Q_1(x)=ax+b$。故 $y^*=x^2(ax+b)e^x$。($x$ 的幂次取 $k=2$ 是本题陷阱点)
真题4 · 可降阶(缺 $x$)
求 $y''=(y')^2$ 满足 $y(0)=1,\;y'(0)=1$ 的解。
解:缺 $x$:令 $p=y'$,$y''=p\dfrac{dp}{dy}$:$p\dfrac{dp}{dy}=p^2$ → $\dfrac{dp}{dy}=p$ → $p=C_1e^y$。
由 $p(0)=1,y(0)=1$:$1=C_1e$ → $C_1=e^{-1}$,$\dfrac{dy}{dx}=e^{y-1}$ → $e^{1-y}=1-x$,即 $y=1-\ln(1-x)$。
真题5 · 伯努利
求 $y'+y=xy^2$ 的通解。
解:$n=2$:同除 $y^2$ 得 $y^{-2}y'+y^{-1}=x$,令 $z=y^{-1}$:$-z'+z=x$,即 $z'-z=-x$。
一阶线性:$z=e^x\left[\int(-x)e^{-x}dx+C\right]=e^x(xe^{-x}+e^{-x}+C)=x+1+Ce^x$,故 $y=\dfrac{1}{x+1+Ce^x}$。
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