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积分与变化的累积

AP 微积分 BC · 知识点 6

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10:02

探索变化量的累积

水流进一个水箱。仪表显示每分钟升数。这是一个变化率。那么,前十分钟有多少水进入?画出速率……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

6.1

探究变化的累积

教学大纲

持久理解 (CHA-4): 定积分使我们能够解决涉及区间内变化累积的问题。

学习目标 CHA-4.A: 在具体情境中解释与变化率函数图像相关的面积的含义。

  • CHA-4.A.1 变化率函数图像与 $x$ 轴之间的区域面积给出了变化的累积量。
  • CHA-4.A.2 在某些情况下,可以通过使用几何方法计算变化的累积量。
  • CHA-4.A.3 如果在某个区间上变化率为正(负),则累积变化为正(负)。
  • CHA-4.A.4 由变化率定义的区域的面积单位等于变化率的单位乘以自变量的单位。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
A water tank: integration accumulates change — total volume from a rate of flow
A water tank: integration accumulates change — total volume from a rate of flow

Where a derivative 导数 measures a rate, an integral 积分 measures an accumulation 累积 – a total built up from a rate. If a rate of change acts over an interval, the area 面积 between its graph and the axis gives the net accumulated change. This "area = total change" idea is the foundation of integral calculus 积分学.

探索

速率下的面积即为总量

y = 3(恒定速率)

速率曲线下的阴影面积即为累积量——扩大区间,总量随之增长。

词汇 训练
English 中文 拼音
derivative/dɪˈrɪvətɪv/ 导数 dǎo shù
integral/ˈɪntɪɡrəl/ 积分 jī fēn
accumulation/əˌkjuːmjʊˈleɪʃn/ 累积 lěi jī
area/ˈeərɪə/ 面积 miàn jī
integral calculus 积分学 jī fēn xué
6.2

用黎曼和近似面积

教学大纲

持久理解 (LIM-5): 定积分可以通过几何方法和数值方法进行逼近。

学习目标 LIM-5.A: 使用几何和数值方法逼近定积分。

  • LIM-5.A.1 对于以图形、表格、解析式和语言形式表示的函数,其定积分均可进行逼近。
  • LIM-5.A.2 可以使用左黎曼和、右黎曼和、中点黎曼和或梯形和来逼近定积分;这些逼近值既可通过等分区间计算得出,也可通过非等分区间计算得出。
  • LIM-5.A.3 可以使用数值方法(无论是否借助技术工具)对定积分进行逼近。
  • LIM-5.A.4 根据函数的性质,可以判断某个定积分的逼近值是低于还是高于该定积分的真实值(即判断是低估还是高估)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
The integral as area (Riemann sums)
Trapezoidal sums approximate area

A Riemann sum 黎曼和 estimates the area under a curve by adding the areas of thin rectangles 矩形. Split $[a,b]$ into subintervals 子区间 and use the function's height at the left endpoint, right endpoint, or midpoint 中点 of each. A trapezoidal sum 梯形法 uses trapezoids 梯形 instead, averaging the two endpoint heights – usually more accurate. With more, thinner rectangles the estimate improves.

A Riemann sum approximates the area under a curve with rectangles
A Riemann sum approximates the area under a curve with rectangles
Strips of width h approximate the area under a curve
Strips of width h approximate the area under a curve

Exam skill: be able to compute left, right, midpoint, and trapezoidal estimates from a table or graph, and state whether each over- or under-estimates based on whether the function is increasing/decreasing or concave up/down.

Worked example: trapezoidal sum, unequal widths. Water flows into a tank at rate $R(t)$ litres per minute.

$t$ (minutes) $0$ $2$ $5$ $10$
$R(t)$ (litres/min) $4$ $6$ $7$ $3$

Estimate $\int_0^{10} R(t)\,dt$ with a trapezoidal sum. The widths are $2$, $3$ and $5$, so each trapezoid needs its own width:

$$\int_0^{10} R(t)\,dt \approx 2\cdot\frac{4+6}{2} + 3\cdot\frac{6+7}{2} + 5\cdot\frac{7+3}{2} = 10 + 19.5 + 25 = 54.5 \text{ litres}.$$

A left Riemann sum on the same table is $2(4)+3(6)+5(7)=61$ litres. Using one width for every strip when the table steps are unequal is a common error.

探索

用矩形近似面积

y = ax³ + bx² + cx + d

黎曼和用矩形近似曲线下的面积。增加更多、更窄的矩形,估计值收敛于精确的定积分。

词汇 训练
English 中文 拼音
Riemann sum/ˈriːmən sʌm/ 黎曼和 lí màn hé
rectangles 矩形 jǔ xíng
subintervals/ˌsʌbɪnˈtɜːvlz/ 子区间 zi qū jiān
midpoint/ˈmɪdpɔɪnt/ 中点 zhōng diǎn
trapezoidal sum/ˈtræpɪzɔɪdl sʌm/ 梯形法 tī xíng fǎ
trapezoids 梯形 tī xíng
6.3

黎曼和、求和记号与定积分记号

教学大纲

持久理解 (LIM-5): 可以使用几何方法和数值方法来近似定积分。

学习目标 LIM-5.B: 将黎曼和的极限情形解释为定积分。

  • LIM-5.B.1 近似黎曼和的极限可以被解释为定积分。
  • LIM-5.B.2 黎曼和需要对区间 $I$ 进行划分,它是若干乘积之和;其中每个乘积等于函数在子区间内某一点的值乘以该子区间的长度(即划分的宽度)。

学习目标 LIM-5.C: 将黎曼和的极限情形表示为定积分。

  • LIM-5.C.1 连续函数 $f$ 在区间 $[a, b]$ 上的定积分,记作 $\int_{a}^{b} f(x)\,dx$,是当子区间宽度趋近于0时黎曼和的极限。即:$\int_{a}^{b} f(x)\,dx = \lim_{\max \Delta x_i \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(x_i^*)\Delta x_i$,其中 $n$ 是子区间的数量,$\Delta x_i$ 是第 $i$ 个子区间的宽度,$x_i^*$ 是第 $i$ 个子区间内的任意一点。
  • LIM-5.C.2 定积分可以转化为相关黎曼和的极限,而黎曼和的极限也可以写成定积分的形式。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Writing a Riemann sum with summation notation 求和记号 $\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\,\Delta x$ and letting the number of rectangles grow without bound gives the exact area – the definite integral 定积分:

$$\int_a^b f(x)\,dx=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\,\Delta x.$$
The integral is the limit of Riemann sums; $a$ and $b$ are the limits of integration 积分限.

探索

积分即为精确面积

y = x²

当矩形变得无限薄时,它们的总和变为精确的阴影面积——即定积分。

词汇 训练
English 中文 拼音
summation notation/sʌˈmeɪʃn nəʊˈteɪʃn/ 求和记号 qiú hé jì hào
definite integral/ˈdefɪnət ˈɪntɪɡrəl/ 定积分 dìng jī fēn
limits of integration/ˈlɪmɪts ɒv ˌɪntɪˈɡreɪʃn/ 积分限 jī fēn xiàn
6.4

微积分基本定理与累积函数

教学大纲

持久理解 (FUN-5): 微积分基本定理将微分与积分联系起来。

学习目标 FUN-5.A: 使用定积分表示累积函数。

  • FUN-5.A.1 定积分可用于定义新函数。
    • FUN-5.A.1 示例: $f(x) = \int_{0}^{x} e^{-t^2}\,dt$。
  • FUN-5.A.2 若 $f$ 在包含 $a$ 的区间上连续,则当 $x$ 在该区间内时,$\dfrac{d}{dx}\left( \int_{a}^{x} f(t)\,dt \right) = f(x)$。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
The Fundamental Theorem of Calculus

An accumulation function 累积函数 $g(x)=\int_a^x f(t)\,dt$ gives the accumulated area from $a$ up to $x$. The Fundamental Theorem of Calculus (FTC) 微积分基本定理 says its derivative is the integrand 被积函数:

$$\frac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt=f(x).$$
Differentiation and integration are inverse operations. With a variable upper limit 上限 and the chain rule 链式法则, $\dfrac{d}{dx}\int_a^{u(x)} f(t)\,dt=f(u(x))\,u'(x)$.

Common mistakes. Forgetting the chain-rule factor: $\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_1^{x^2}\cos t\,dt=\cos(x^2)\cdot 2x$, not $\cos(x^2)$. Differentiating $f$ instead of evaluating it: the derivative of $\int_a^x f(t)\,dt$ is $f(x)$, not $f'(x)$.

The accumulation function adds signed area; the FTC says its derivative is f
The accumulation function adds signed area; the FTC says its derivative is f
探索

将面积积累为积分

y = ax³ + bx² + cx + d

累积函数 $\int_a^x f(t)\,dt$ 随着 $x$ 的移动而建立有符号面积。微积分基本定理指出其导数就是 $f(x)$。

词汇 训练
English 中文 拼音
accumulation function/əˌkjuːmjʊˈleɪʃn ˈfʌŋkʃn/ 累积函数 lěi jī hán shù
Fundamental Theorem of Calculus (FTC)/ˌfʌndəˈmentl ˈθɪərəm ɒv ˈkælkjʊləs/ 微积分基本定理 wēi jī fēn jī běn dìng lǐ
integrand 被积函数 bèi jī hán shù
upper limit 上限 shàng xiàn
chain rule/tʃeɪn ruːl/ 链式法则 liàn shì fǎ zé
6.5

解释涉及面积的累积函数的性态

教学大纲

持久理解(FUN-5): 微积分基本定理将微分与积分联系起来。

学习目标 FUN-5.A: 使用定积分表示累积函数。

  • FUN-5.A.3 函数 $f$ 的图形、数值、解析和语言表示提供了关于由 $g(x) = \int_{a}^{x} f(t)\,dt$ 定义的函数 $g$ 的信息。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Because $g'(x)=f(x)$, the graph of $f$ tells you everything about $g$: $g$ increases where $f>0$, decreases where $f<0$, has extrema where $f$ crosses zero, and is concave up where $f$ is increasing. Reading these connections off a graph of $f$ is a classic free-response task.

Common mistake. Adding an area below the axis instead of subtracting it. Suppose $f$ lies above the axis on $[0,3]$ with area $6$ and below it on $[3,5]$ with area $2$. Then $g(5)=\int_0^5 f(t)\,dt=6-2=4$, and $g$ has its maximum at $x=3$, where $f$ changes from positive to negative. The total area, $8$, answers a different question.

探索

g 在 f 为正时上升

y = f(t)(被积函数 = g′)

只要 $f$(阴影高度)为正,累积面积 $g$ 就会增加;当 $f$ 变为负值时,$g$ 会减小。

6.6

应用定积分的性质

教学大纲

持久理解 (FUN-6): 认识到运用几何知识和数学规则的机会可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.A: 利用面积和定积分的性质计算定积分。

  • FUN-6.A.1 在某些情况下,可以通过使用几何知识以及定积分与面积之间的联系来求值定积分。
  • FUN-6.A.2 定积分的性质包括:常数乘以函数的积分、两个函数之和的积分、积分限的颠倒,以及函数在相邻区间上的积分。
  • FUN-6.A.3 定积分的定义可以扩展到具有可去间断点或跳跃间断点的函数。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Definite integrals obey useful rules: reversing the limits negates the value ($\int_b^a=-\int_a^b$), an integral over a zero-width interval is $0$, they add over adjacent intervals 在相邻区间上相加 ($\int_a^c=\int_a^b+\int_b^c$), and constants factor out. Use these to combine or split given integral values.

探索

在内点处分隔面积

y = x²

从 $a$ 到 $c$ 的面积等于从 $a$ 到 $b$ 的面积加上从 $b$ 到 $c$ 的面积——积分可在相邻区间上拆分。

词汇 训练
English 中文 拼音
add over adjacent intervals 在相邻区间上相加 zài xiāng lín qū jiān shàng xiàng jiā
6.7

微积分基本定理与定积分

教学大纲

持久理解(FUN-6): 识别应用几何知识和数学规则的机会可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.B: 利用微积分基本定理对定积分进行解析计算。

  • FUN-6.B.1 函数 $f$ 的原函数是指标导为 $f$ 的函数 $g$。
  • FUN-6.B.2 如果函数 $f$ 在包含 $a$ 的区间上连续,则对于该区间内的 $x$,由 $F(x) = \int_{a}^{x} f(t)\,dt$ 定义的函数是 $f$ 的一个原函数。
  • FUN-6.B.3 如果 $f$ 在区间 $[a, b]$ 上连续,且 $F$ 是 $f$ 的一个原函数,则 $\int_{a}^{b} f(x)\,dx = F(b) - F(a)$。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The evaluation form of the FTC computes a definite integral from an antiderivative 原函数 $F$ (where $F'=f$):

$$\int_a^b f(x)\,dx=F(b)-F(a).$$
So integrating a rate of change over $[a,b]$ gives the net change 净变化 in the quantity – the single most-used result in the course.

Worked example. $\displaystyle\int_1^3 (2x+1)\,dx$: an antiderivative is $F(x)=x^2+x$, so the value is $F(3)-F(1)=12-2=10$.

A definite integral is the signed area between the curve and the x-axis
A definite integral is the signed area between the curve and the x-axis
探索

精确面积,经计算

y = x²

微积分基本定理第 2 部分将此阴影区域转化为 $F(2)-F(0)$ ——在上下限处求值的原函数。

词汇 训练
English 中文 拼音
antiderivative/ˌæntɪdɪˈrɪvətɪv/ 原函数 yuán hán shù
net change/net tʃeɪndʒ/ 净变化 jìng biàn huà
6.8

求原函数与不定积分:基本法则与记号

教学大纲

持久理解 (FUN-6): 识别运用几何知识和数学规则的机会可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.C: 利用导数知识确定函数的原函数与不定积分。

  • FUN-6.C.1 $\int f(x)\,dx$ 是函数 $f$ 的不定积分,可表示为 $\int f(x)\,dx = F(x) + C$,其中 $F'(x) = f(x)$,且 $C$ 为任意常数。
  • FUN-6.C.2 求导法则构成了寻找原函数的基础。
  • FUN-6.C.3 许多函数没有初等原函数(即无法用有限次四则运算、幂指对三角反三角等初等函数组合表示的原函数)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

An indefinite integral 不定积分 $\int f(x)\,dx=F(x)+C$ is the family of all antiderivatives (hence the constant of integration 积分常数 $C$). Reverse each derivative rule: the power rule 幂法则 becomes $\int x^n\,dx=\dfrac{x^{n+1}}{n+1}+C$ (for $n\neq-1$), with $\int \frac1x\,dx=\ln|x|+C$, and the antiderivatives of $e^x$, $\sin x$, $\cos x$, and $\sec^2 x$ come straight from their derivatives.

Common mistakes. Leaving out $+C$; losing the minus sign in $\int\sin x\,dx=-\cos x+C$; and using the power rule on $x^{-1}$, which would divide by $0$.

探索

平移+C族

y = ax³ + d

$f$ 的所有原函数仅相差一个垂直平移 $+C$——处处斜率相同。

词汇 训练
English 中文 拼音
indefinite integral/ɪnˈdefɪnət ˈɪntɪɡrəl/ 不定积分 bù dìng jī fēn
constant of integration/ˈkɒnstənt ɒv ˌɪntɪˈɡreɪʃn/ 积分常数 jī fēn cháng shù
power rule/ˈpaʊə ruːl/ 幂法则 mì fǎ zé
6.9

用换元法积分

教学大纲

持久理解 (FUN-6): 识别应用几何知识和数学规则的机会可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.D: 对于需要换元或重新排列为等价形式的被积函数: (a) 求不定积分。 (b) 计算定积分。

  • FUN-6.D.1 变量代换是寻找原函数的一种技巧。
  • FUN-6.D.2 对于定积分,变量代换要求相应地更改积分限。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

u-substitution 换元积分 reverses the chain rule: choose $u=g(x)$ so that $g'(x)$ also appears, turning $\int f(g(x))g'(x)\,dx$ into $\int f(u)\,du$. Remember to convert $dx$ to $du$ and, for a definite integral, either change the limits to $u$-values or convert back to $x$ at the end.

Worked example. Evaluate $\displaystyle\int_0^1 x\,(x^2+1)^3\,dx$. Let $u=x^2+1$, so $du=2x\,dx$ and $x\,dx=\tfrac12\,du$. Change the limits: $x=0$ gives $u=1$, and $x=1$ gives $u=2$:

$$\int_0^1 x\,(x^2+1)^3\,dx = \frac12\int_1^2 u^3\,du = \frac12\left[\frac{u^4}{4}\right]_1^2 = \frac18\,(16-1) = \frac{15}{8}.$$
探索

适合u代换的复合函数

y = ax³ + bx

被积函数$2x(x^2+1)^3$中隐藏着内层函数及其导数——这是进行代换的信号。

词汇 训练
English 中文 拼音
u-substitution/juː ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 换元积分 huàn yuán jī fēn
6.10

用长除法与配方法积分

教学大纲

持久理解 (FUN-6): 识别应用几何知识和数学法则的机会,可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.D: 对于需要通过代换或重新整理为等价形式来处理被积函数的情况: (a) 求不定积分。 (b) 计算定积分。

  • FUN-6.D.3 寻找原函数的技巧包括将表达式重新整理为等价形式,例如使用长除法和配方法。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

When a rational 有理 integrand is “top-heavy” (numerator degree $\ge$ denominator degree), long division 长除法 rewrites it as a polynomial 多项式 plus a proper fraction 真分式 you can integrate. Completing the square 配方法 in a denominator 分母 turns it into a form like $u^2+a^2$, leading to an arctangent 反正切 antiderivative $\frac1a\arctan\frac{u}{a}+C$.

Worked example: long division. Since $x^2+1=(x+1)(x-1)+2$,

$$\int \frac{x^2+1}{x+1}\,dx = \int\left(x-1+\frac{2}{x+1}\right)dx = \frac{x^2}{2}-x+2\ln|x+1|+C.$$

Worked example: completing the square. Since $x^2+2x+5=(x+1)^2+4$, take $u=x+1$ and $a=2$:

$$\int \frac{1}{x^2+2x+5}\,dx = \int \frac{1}{(x+1)^2+4}\,dx = \frac12\arctan\!\left(\frac{x+1}{2}\right)+C.$$
词汇 训练
English 中文 拼音
rational/ˈræʃənl/ 有理 yǒu lǐ
long division 长除法 zhǎng chú fǎ
polynomial/ˌpɒlɪˈnəʊmɪəl/ 多项式 duō xiàng shì
proper fraction/ˈprɒpə ˈfrækʃn/ 真分式 zhēn fēn shì
Completing the square/kəmˈpliːtɪŋ ðə skweə/ 配方法 pèi fāng fǎ
denominator/dɪˈnɒmɪneɪtə/ 分母 fēn mǔ
arctangent 反正切 fǎn zhèng qiè
6.11

用分部积分法积分

教学大纲

持久理解 (FUN-6): 认识到应用几何知识和数学规则的机会可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.E: 对于需要使用分部积分法的被积函数: (a) 求不定积分。仅限BC (b) 计算定积分。仅限BC

  • FUN-6.E.1 分部积分法是寻找原函数的一种技巧。仅限BC

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Integration by parts 分部积分 reverses the product rule:

$$\int u\,dv = uv-\int v\,du.$$
Choose $u$ to simplify when differentiated and $dv$ to be easy to integrate (the LIATE guide: logs, inverse-trig, algebraic, trig, exponential). It handles products like $\int x e^x\,dx$ and $\int x\ln x\,dx$, sometimes applied twice.

Worked example. For $\int x e^x\,dx$, choose $u=x$ ($du=dx$) and $dv=e^x\,dx$ ($v=e^x$):

$$\int x e^x\,dx = x e^x-\int e^x\,dx = x e^x - e^x + C = e^x(x-1)+C.$$

Worked example: definite. Evaluate $\displaystyle\int_1^{e}\ln x\,dx$. There is no obvious product, so take $u=\ln x$ ($du=\tfrac1x\,dx$) and $dv=dx$ ($v=x$):

$$\int_1^{e}\ln x\,dx=\Big[x\ln x\Big]_1^{e}-\int_1^{e}x\cdot\frac1x\,dx=(e\cdot 1-1\cdot 0)-(e-1)=1.$$

Apply the limits to the $uv$ part too; dropping them there is a frequent slip.

探索

需要积分的乘积

y = a·e^{bx}

分部积分用$\int x e^x$换取更容易的$\int e^x$——将导数从代数因子移开。

词汇 训练
English 中文 拼音
Integration by parts/ˌɪntɪˈɡreɪʃn baɪ pɑːts/ 分部积分 fēn bù jī fēn
6.12

用线性部分分式积分

教学大纲

持久理解 (FUN-6): 认识到应用几何知识和数学规则的机会可以简化积分运算。

学习目标 FUN-6.F: 对于需要通过线性部分分式法进行积分的被积函数: (a) 确定不定积分。BC专用 (b) 计算定积分。BC专用

  • FUN-6.F.1 某些有理函数可以分解为基本积分技术适用的、由线性不重复因式构成的比值的和。BC专用

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Partial fractions 部分分式 split a rational function with a factorable denominator into a sum of simpler fractions:

$$\frac{1}{(x-a)(x-b)}=\frac{A}{x-a}+\frac{B}{x-b},$$
each of which integrates to a logarithm 对数. This technique is essential for the logistic differential equation 逻辑斯谛微分方程 in the next unit.

Worked example. Find $\displaystyle\int\frac{x+7}{(x-1)(x+3)}\,dx$. Write $\dfrac{x+7}{(x-1)(x+3)}=\dfrac{A}{x-1}+\dfrac{B}{x+3}$ and multiply through by the denominator:

$$x+7=A(x+3)+B(x-1).$$

Put $x=1$: $8=4A$, so $A=2$. Put $x=-3$: $4=-4B$, so $B=-1$. Then

$$\int\frac{x+7}{(x-1)(x+3)}\,dx=\int\left(\frac{2}{x-1}-\frac{1}{x+3}\right)dx=2\ln|x-1|-\ln|x+3|+C.$$

Check by recombining: $2(x+3)-(x-1)=x+7$.

Common mistakes. Splitting a top-heavy fraction without dividing first (when the top's degree is at least the bottom's, do long division before partial fractions), and writing $\int\frac{1}{x+3}\,dx$ with the wrong sign or as $\ln(x+3)$ without the absolute value.

探索

需要拆分的一个有理函数

y = a / (x − b)

分母为$(x-1)(x+2)$的分式有两个垂直渐近线;部分分式将其拆分为两个简单的$\ln$部分。

词汇 训练
English 中文 拼音
Partial fractions/ˈpɑːʃl ˈfrækʃnz/ 部分分式 bù fèn fēn shì
logarithm/ˈlɒɡərɪθəm/ 对数 duì shù
logistic differential equation 逻辑斯谛微分方程 luó jí sī dì wēi fēn fāng chéng
6.13

计算反常积分

教学大纲

持久理解 (LIM-6): 极限的运用使我们能够证明无界区域的面积可能是有限的。

学习目标 LIM-6.A: 计算反常积分或判断积分是否发散。仅限BC

  • LIM-6.A.1 反常积分是指其上下限之一或两者为无穷大,或者被积函数在积分区间内无界的积分。仅限BC
  • LIM-6.A.2 可以通过定积分的极限来确定反常积分的值。仅限BC

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Improper integrals: converge or diverge

An improper integral 反常积分 has an infinite limit of integration or an infinite discontinuity 无穷间断点 in the integrand. Evaluate it as a limit: $\int_a^\infty f\,dx=\lim_{b\to\infty}\int_a^b f\,dx$. If the limit is a finite number the integral converges 收敛; otherwise it diverges 发散. Split at every interior singularity 奇点, and split an integral over the whole real line at a finite point. Each resulting one-sided improper integral must converge separately; cancellation of infinite parts is not convergence.

Worked example. $\displaystyle\int_1^\infty \frac{1}{x^2}\,dx=\lim_{b\to\infty}\left[-\frac1x\right]_1^b=\lim_{b\to\infty}\left(1-\frac1b\right)=1$, so it converges to $1$. By contrast $\int_1^\infty \frac1x\,dx$ gives $\lim_{b\to\infty}\ln b=\infty$ and diverges – the same integrand-shape can go either way.

Worked example: infinite discontinuity. $\dfrac{1}{\sqrt{x}}$ is unbounded at $x=0$, so

$$\int_0^1\frac{1}{\sqrt x}\,dx=\lim_{a\to 0^+}\Big[2\sqrt{x}\Big]_a^1=\lim_{a\to 0^+}\big(2-2\sqrt a\big)=2,$$

which converges. An integral like this looks ordinary, so check the integrand for a vertical asymptote 竖直渐近线 on $[a,b]$ before using $F(b)-F(a)$ directly.

Common mistake. Missing a vertical asymptote inside the interval. Blindly writing

$$\int_{-1}^{1}\frac{1}{x^2}\,dx=\Big[-\frac1x\Big]_{-1}^{1}=-2$$

gives a negative answer for a positive integrand. The integrand is unbounded at $x=0$: split there, and $\int_0^1\frac{1}{x^2}\,dx$ diverges, so the whole integral diverges.

The area under 1/x² out to infinity is finite; under 1/x it is not
The area under 1/x² out to infinity is finite; under 1/x it is not
探索

1/x² 下方的无限尾部

y = 1/x²

$1/x^2$从$1$到$\infty$下的面积是有限的($=1$),尽管区域永无止境——这是一个收敛的反常积分。

词汇 训练
English 中文 拼音
improper integral/ɪmˈprɒpə ˈɪntɪɡrəl/ 反常积分 fǎn cháng jī fēn
infinite discontinuity/ˈɪnfɪnət dɪskɒntɪˈnjuːɪti/ 无穷间断点 wú qióng jiàn duàn diǎn
converges/kənˈvɜːdʒɪz/ 收敛 shōu liǎn
diverges/daɪˈvɜːdʒɪz/ 发散 fā sàn
singularity 奇点 qí diǎn
vertical asymptote/ˈvɜːtɪkl ˈæsɪmptəʊt/ 竖直渐近线 shù zhí jiàn jìn xiàn
6.14

选择求原函数的方法

教学大纲

本主题旨在重点训练学生选择恰当反微分方法的能力。应为学生提供充分机会,练习何时以及如何应用所有与反微分相关的学习目标。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The BC exam expects you to recognize which method fits: basic rules, substitution (a chain-rule pattern), by parts (a product), partial fractions (a factorable rational), or long division/completing the square. Being able to look at an integral and pick the right tool quickly is itself a tested skill.

探索

观察被积函数,选择方法

y = ax³ + bx

被积函数是简单幂函数、复合函数还是不定分式,决定了使用哪种原函数工具。

6.14

考试技巧

English
  • For $n\ne-1$, use $\int x^n\,dx=\tfrac{x^{n+1}}{n+1}+C$ on an interval where the power rule applies. For $n=-1$, use $\ln|x|+C$. Do not forget $+C$.
  • The Fundamental Theorem links the two: $\int_a^b f'(x)\,dx=f(b)-f(a)$, and $\tfrac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt=f(x)$.
  • Approximate a definite integral with Riemann sums or the trapezoidal rule from a table of values.
  • A definite integral is a signed area 有符号面积 (below the axis counts negative); split at sign changes for total area.
  • Use u-substitution and remember to change the limits (or back-substitute) accordingly.
词汇 训练
English 中文 拼音
signed area/saɪnd ˈeərɪə/ 有符号面积 yǒu fú hào miàn jī

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