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高 等 数 学 · 第 四 章 4.2 / 4.3(含 5.3)

换元与分部:
把求导法则逐条反过来

这两节常被当成"两个技巧"死记。其实它们各自都是一条求导法则的倒影——看清这一点,整章就没有需要背的东西了。

第 1 幕

"积分靠猜",那到底在猜什么

第十二页留了一句话:求导是机械的,积分是猜的。

但"猜"不是瞎猜。你猜的其实是同一个问题:

这个式子,是不是某条求导法则算出来的结果?

求导法则一共就那么几条。把它们一条一条倒过来,就是这一章的全部内容:

左边你早就会了,右边只是换个方向读
求导法则倒过来 ⟹
和差:(u±v)′ = u′±v′逐项积分(第十二页已有)
链式:[f(g)]′ = f′(g)·g′换元积分法 4.2
乘积:(uv)′ = u′v + uv′分部积分法 4.3
商:(u/v)′ = …没有对应方法 —— 第 7 幕说
换元和分部不是两个技巧,是两条求导法则的倒影
你不需要背它们——你只需要认出原式是被哪条法则生出来的
第 2 幕

换元 = 链式法则倒过来

链式法则说:[F(g(x))]′ = f(g(x))·g′(x)。两边积分立刻得到——

∫ f(g(x))·g′(x) dx = F(g(x)) + C

关键在于认出那个 g′(x)dx。而第十四页刚告诉过你它是什么:

g′(x) dx = dg

∫ 2x·e dx 走一遍,点按钮一步一步看:

看清楚第 ② 步在干什么:把 2x dx 收进了 d(x²) 里面
这个动作叫凑微分,它整个建立在第十四页那句"dy 和 dx 是可以搬动的零件"上
没有微分那一节,这一步就是不合法的符号游戏。
所谓"凑",凑的就是这个 dg
不是凑答案,是凑出一条链式法则的痕迹。
第 ② 步把 2x dx 写成 d(x²)——凭什么可以这么写?靠的是哪一页的什么结论?
第十四页(微分)那条 dg = g′(x)dx
在那一页之前,dx 只是个挂在末尾的记号,根本不能单独搬动
定义了微分之后,dxdg 都是实实在在的量,才可以这样互相改写。
所以"凑微分"这个名字是老实的——凑的真就是那个微分。
第 3 幕

⚠️ 支点:两类换元方向相反,别搞混

同样叫"换元",第一类和第二类的方向是反的

第一类往里收,第二类往外换

看清方向之后,剩下的坑就都有名字了。四个开关,各踩一次:

⚠️ 记住这一条对照,能省掉一半的错:
不定积分换元 → 最后必须换回原变量(题目问的是 x 的函数)
定积分换元 → 换限就不用换回(答案是个数,谁当变量无所谓)
定积分换元为什么可以不换回原变量,不定积分却必须换回?
因为两者要的东西不一样。
不定积分要的是一族关于 x 的函数——答案里留着 u,等于没回答问题。
定积分要的是一个数。第十三页说过:∫ₐᵇf(x)dx = ∫ₐᵇf(t)dt积分变量叫什么根本不影响那个数
所以只要把上下限一起换成新变量的范围,就可以直接算,不必回头。
第 4 幕

分部 = 乘积法则倒过来

乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。移项、两边积分:

∫ u dv = uv − ∫ v du

注意它没有把积分"算掉",只是换成了另一个积分。
分部积分做的是交换难度,不是消灭难度。
选对了 u,新积分更容易;选错了,越换越难。

∫ x·ex dx 试两种选法:

分部把一个积分换成了另一个积分。那什么时候才算成功?会不会永远换不完?
两种算成功:
新积分更简单,直接能算出来(如 ∫x·eˣdx,一次就收工);
转一圈转回了原式——比如 ∫eˣsin x dx 分部两次后右边又出现了它自己,这时候把它当未知数移项解出来,一样是成功。
只有选错 u 时才会越换越难(幂次一路升高)。所以每做一次分部,先看一眼新积分有没有变简单——没有就立刻换个选法,别硬撑。
第 5 幕

u 该选谁:一句口诀,一条道理

口诀:反、对、幂、指、三 —— 排在前面的那个选作 u

顺序类型为什么排在这儿
1反三角求导之后变成有理式,大化简
2对数 ln x求导变成 1/x,摆脱了 log
3幂 xⁿ求导降一次幂,多来几次就没了
4指数 eˣ求导原地不动,当 dv 正合适
5三角同上,转一圈还回来
口诀背后只有一条道理
u 要选求导之后会变简单的那个;
剩下那个划给 dv,因为它积一次也不会变复杂
——所以 ex 和三角总是垫底:它们求导既不简化,积分也不恶化。
∫ ln x dx 里只有一个函数,怎么用分部?
把看不见的那个 1 请出来:∫ ln x · 1 dx
按口诀,对数排在幂前面,所以 u = ln xdv = dx(即 v = x)。
= x ln x − ∫ x · (1/x) dx = x ln x − x + C
"只有一个函数"从来不是不能分部的理由——缺的那个补 1 就行。
第 6 幕

定积分版:换元一定要换限(5.3)

方法一模一样,只多一件事,而这件事是本节最高频的失分点

变量换了,区间也得跟着搬家
 ∫₁e (ln x / x) dx,令 u = ln xdu = dx/x
下限:x = 1 ⟹ u = ln 1 = 0 · 上限:x = e ⟹ u = ln e = 1
于是 = ∫₀¹ u du = 1/2算完直接就是答案,不用换回 x。

分部的定积分版同理,只是把 uv 那一截也代上下限:

ab u dv = [uv]ab − ∫ab v du

⚠️ 换了变量却没换限,是这一节压倒性的第一大错
养成一个动作:写下新变量的那一刻,立刻把两个限也算出来写在积分号上,别留到最后。
第 7 幕

那条没有倒影的法则

回到第 1 幕那张表的最后一行:商法则没有对应的积分方法。

求导时 (u/v)′ 有现成公式;可反过来,没有任何一招叫"商的积分法"。遇到分式只能绕:

遇到的分式只能这么绕
∫ (2x)/(x²+1) dx凑微分:分子正好是分母的导数
∫ (x+3)/(x²−1) dx拆成部分分式,再逐项积(4.4
∫ 1/(x²+a²) dx凑成 arctan 的样子
关于 4.4「有理函数的积分」
它讲的就是上表第二行那件事:把一个有理分式拆成几个简单分式之和
这一步是纯代数活(待定系数解方程组),没有可画的图,所以本站不单独成页。
练法很直接:照着课本例题拆五六个,手熟就行——它不考理解,只考细心。
四条求导法则,只有三条能反演
这就是"积分比求导难"的结构性原因——
不是你笨,是这个方向上本来就少了一条路。
第 8 幕

整节话,就这三行

换元 = 链式法则的倒影,靠 g′(x)dx = dg 把式子收简单。
分部 = 乘积法则的倒影,它交换难度而不消灭难度,u求导后变简单的。
定积分换元必须换限;换了限,就不必换回原变量。
今 天 的 任 务

八道,每道做完照例求导验一遍

第十二页立的规矩继续有效:每道答案下面写一行验算。这一章尤其要坚持——换元换来换去,最容易在中途丢东西。

  1. ∫ 2x·e dx就是第 2 幕那道。自己完整走一遍四步
  2. ⚠️ ∫ sin x cos x dx 分别令 u = sin x 和 u = cos x,各做一遍两个答案长得完全不一样。它们矛盾吗?相减看看差多少
  3. ⚠️ ∫ x·ex dx 两种选 u 的方式各做一遍把"越换越难"那条路也写在纸上,别只写对的那条
  4. ∫ ln x dx只有一个函数。想想第 5 幕那道闸门
  5. ∫ x sin x dx按口诀选 u
  6. ⚠️ ∫₁e (ln x / x) dx 用换元法换限那两个数,写在积分号上再往下算
  7. ⚠️ ∫₀π/2 sin x cos x dx 先用"换元并换限"做一遍,再用"换回原变量"做一遍两条路应该殊途同归。哪条更省事?
  8. ⚠️ 为什么没有"商的积分法则"?遇到分式该怎么办列出你知道的三条绕法。这题考的是第 7 幕
第 2 题是这一页最值钱的一道:两个答案 sin²x/2−cos²x/2 看着毫不相干,相减却正好是常数 1/2
这正是第十二页那条"两个原函数只差一个常数"的活例子——而"只差常数"是中值定理保证的。
对完答案,每道错题旁只写一句:
我是忘了换回原变量换元没换限u 选反了凑微分时漏了系数,还是纯算错
做 完 之 后