换元法不只是把一部分写成u。定积分中的上下限描述变量的取值范围,变量改变后,需要把边界同时转换,或在回到原变量后再用原边界。
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把微分关系写完整
考虑I=∫₀¹ 2x/(1+x²) dx。设u=1+x²,则du=2x dx;x=0时u=1,x=1时u=2。
所以I=∫₁² 1/u du=ln2。分母变成u,分子与dx合在一起成为du,不能只把dx直接改写成du。
另一条合法路径是回代
也可先求原函数ln(1+x²),再在x=0和x=1代入,仍得到ln2。两条路径各自一致,结果相同。
错误做法是在被积函数已经换成1/u后,还沿用0到1的x边界;这会计算一个不同甚至有奇点的积分。
用范围检查结果
原被积函数在0到1上非负,所以结果应非负。ln2约0.693,与图像面积的数量级相符,但数值吻合不能代替换元步骤的依据。
本例为原创方法讲解。遇到非一一对应或更复杂边界时,需要进一步分析换元条件,不能把一个简单例子的操作无条件推广。
延伸阅读:STEP参数题怎样避免漏解?分类讨论、判别式与边界检查训练。
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