换元积分法

数学领域的求积分方法之一

换元积分法(Integration By Substitution),又称变数变换法,是求积分的一种方法,主要通过引进中间变量作变量替换使原式简易,从而来求较复杂的 不定积分 。它是由 链式法则 和微积分基本定理推导而来的。

定义

换元积分法是求积分的一种方法。它是由链式法则和微积分基本定理推导而来的。

在计算函数 偏导数 时,复合函数的链式法则是最常用的法则,把它反过来求不定积分,就是引进中间变量作变量替换,把一个被积表达式变成另一个被积表达式。从而把原来的被积表达式变成较简易的不定积分这就是换元积分法。换元积分法有两种,第一类换元积分法和第二类换元积分法。

两种方法

第一类

第一类换元法,也称为凑 导数 法,推导过程如下:

设 在 上有定义, 在 上可导,且 , ,并记 , 。

若 在 上存在原函数 ,则 在 上也存在原函数 , ,即

在使用时,也可把它写成如下简便形式: 使用这种方法的关键在于将 凑成 ,以及 的原函数容易获得,下面通过一个例子来讲解:

求

解:

第二类

设 在 上有定义, 在 上可导,且 , ,并记 , 。

若 , ,则当 在 上存在原函数 时, 在 上也存在原函数,且 ,即

(其中 是 的 反函数 )

此时观察这两类换元法的 定理 公式,发现它们是互相可逆的。

例子

计算积分 。

其中 换元为 后, 亦变为 ,是因为其形式为黎曼-斯蒂尔杰斯积分,但在黎曼-斯蒂尔杰斯积分中变数的取值范围应该还是x的取值范围,而不是 的取值范围。