定理5.9 设函数f(x)在区间[a,b]上连续,若函数x=φ(t)满足下列条件:
(1)φ(t)在[α,β](或[β,α])上具有连续导数;
(2)φ(α)=a,φ(β)=b,且当t在[α,β](或[β,α])上变化时,x=φ(t)的值在区间[a,b]上变化,则
式(5.19)称为定积分的换元积分公式.
证明 由定理条件可知,式(5.19)两端的被积函数都是连续的,因此,它们的原函数都存在.所以,式(5.19)两端的定积分都可用牛顿-莱布尼茨公式来计算.设F(x)是函数f(x)在区间[a,b]上的一个原函数,则有
另一方面,对F(x)与x=φ(t)的复合函数F[φ(t)]求导,得
这说明F[φ(t)]是f[φ(t)]φ′(t)的一个原函数,因此有
故
由定积分换元式(5.19)知,应用换元公式时要注意:
①用变量代换x=φ(t)将变量x换成新变量t时,要将x的积分限a,b换成t的积分限α,β;
②与不定积分的换元法不同的是,在求出f[φ(t)]φ′(t)的原函数Φ(t)后,不必把Φ(t)变换成x的函数,只要把新变量t的上下限代入Φ(t)后相减即可.
例5.15中的积分还可以这样来计算,可用凑微分法(不定积分的第一换元法)直接求得被积函数的原函数,而不必明显地写出新变量t,这样定积分的上下限就不需要变更.
例5.18(奇、偶函数定积分的性质) 设f(x)在区间[-a,a]上连续,试证:
证明 因为(www.xing528.com)
对于积分作代换x=-t,得
从而
(1)若f(x)为偶函数,f(-x)=f(x),于是f(-x)+f(x)=2f(x),则
(2)若f(x)为奇函数,f(-x)=-f(x),于是f(-x)+f(x)=0,则有
以后在计算奇函数和偶函数在关于原点对称的区间上的积分时,可利用上述性质简化计算.
解 因为xe|x|+x4sin3x是奇函数,e|x|是偶函数,所以
例5.21(周期函数定积分的性质) 设f(x)是以T为周期的连续函数,a,b为任意实数,试证
又因为f(t)是以T为周期的函数,有f(t+T)=f(t),所以
故
此例说明,周期为T的连续函数,在任意一长度为T的区间上的积分值均相等,而与区间的起点无关.
移项合并后得
利用例5.18和上述结论,得
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