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附录 5-6 复数与简明积分表

王绵森、马知恩主编高等教育出版社《工科数学分析基础(第三版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

我们在实数范围内,方程

x² = -1 (5.1)

是无解的,因为没有一个实数的平方等于 -1。由于解方程的需要,人们引进一个新数 i,称为虚数单位,并规定

i² = -1,

从而 i 是方程 x² = -1 的一个根。

复数的定义

对于任意两个实数 x, y,我们称 z = x + yi 为复数,其中 x, y 分别称为 z 的实部和虚部,记作

x = Re(z), y = Im(z).

当 x = 0, y ≠ 0 时,z = iy 称为纯虚数;当 y = 0 时,z = x + 0i,我们把它看作是实数 x。

两个复数相等,必须且只需它们的实部和虚部分别相等。一个复数 z 等于 0,必须且只需它的实部和虚部同时等于 0。


两个复数 z₁ = x₁ + iy₁, z₂ = x₂ + iy₂ 的加法、减法及乘法定义如下:

(x₁ + iy₁) ± (x₂ + iy₂) = (x₁ ± x₂) + i(y₁ ± y₂),(x₁ + iy₁)(x₂ + iy₂) = (x₁x₂ - y₁y₂) + i(x₂y₁ + x₁y₂),

并分别称以上两式右端的复数为 z₁ 与 z₂ 的和、差与积。

我们又称满足

z₂ z = z₁ (z₂ ≠ 0)

的复数 z = x + iy 为 z₁ 除以 z₂ 的商,记作 z = (z₁)/(z₂)。从这个定义立即可推得

z = (z₁)/(z₂) = (x₁x₂ + y₁y₂)/(x₂² + y₂²) + i (x₂y₁ - x₁y₂)/(x₂² + y₂²).

不难证明,与实数的情形一样,复数的运算也满足交换律、结合律和分配律:

z₁ + z₂ = z₂ + z₁, z₁ z₂ = z₂ z₁,z₁ + (z₂ + z₃) = (z₁ + z₂) + z₃, z₁(z₂ z₃) = (z₁ z₂)z₃,z₁(z₂ + z₃) = z₁ z₂ + z₁ z₃.
共轭复数

我们把实部相同而虚部绝对值相等而符号相反的两个复数称为共轭复数,与 z 共轭的复数记为 barz。如果 z = x + iy,那么 barz = x - iy。共轭复数有如下性质:

  1. overlinez₁ ± z₂ = barz₁ ± barz₂, overlinez₁ z₂ = barz₁ barz₂, overline((z₁)/(z₂)) = fracbarz₁barz₂
  2. zbarz = [Re(z)]² + [Im(z)]²
  3. z + barz = 2Re(z), z - barz = 2iIm(z)

三、复数的三种表示式及 Euler 公式

Section titled “三、复数的三种表示式及 Euler 公式”
  1. 代数表示式:

z = x + iy.

复平面与几何表示

图 5.1 复平面与几何表示
  1. 三角表示式:

z = r(cosθ + isinθ).

  1. 指数表示式:

z = reⁱθ.

  1. Euler 公式:

eⁱθ = cosθ + isinθ,

由此可得

cosθ = 1/2(eⁱθ + e⁻iθ), sinθ = (1)/(2i)(eⁱθ - e⁻iθ).

本附录汇集了工科数学分析中最常用的不定积分公式,其中未标明积分常数 C 的公式均应加上任意常数 C。


∫ (dx)/(x(a+bx)²) = (1)/(a(a+bx)) - (1)/(a²)ln|(a+bx)/(x)| + C (8)
∫ x√(a+bx) dx = frac2(3bx-2a)(a+bx)³/215b² + C (9) ∫ x²√(a+bx) dx = frac2(15b²x² - 12abx + 8a²)(a+bx)³/2105b³ + C (10) ∫ (x dx)/(√(a+bx)) = (2(bx-2a)√(a+bx))/(3b²) + C (11) ∫ (x² dx)/(√(a+bx)) = (2(3b²x² - 4abx + 8a²)√(a+bx))/(15b³) + C (12) ∫ (dx)/(x√(a+bx)) = displaystyle (1)/(√(a))ln|(√(a+bx)-√(a))/(√(a+bx)+√(a))| + C, & 当 a > 0, displaystyle (2)/(√(-a))arctan√((a+bx)/(-a)) + C, & 当 a < 0. (13) ∫ (dx)/(x²√(a+bx)) = -(√(a+bx))/(ax) - (b)/(2a)∫ (dx)/(x√(a+bx)) (14) ∫ (√(a+bx))/(x) dx = 2√(a+bx) + a∫ (dx)/(x√(a+bx)) (15) ∫ (√(a+bx))/(x²) dx = -(√(a+bx))/(x) + b/2∫ (dx)/(x√(a+bx)) (16)
∫ (dx)/((a²+x²)ⁿ) = displaystyle 1/aarctanx/a + C, & 当 n = 1, displaystyle fracx2(n-1)a²(a²+x²)ⁿ-1 + (2n-3)/(2(n-1)a²)∫ fracdx(a²+x²)ⁿ-1, & 当 n > 1. (17) ∫ (x dx)/((a²+x²)ⁿ) = displaystyle 1/2ln(a²+x²) + C, & 当 n = 1, displaystyle -frac12(n-1)(a²+x²)ⁿ-1 + C, & 当 n > 1. (18) ∫ (dx)/(a²-x²) = (1)/(2a)ln|(a+x)/(a-x)| + C (19)

四、含有 √(a²-x²) 的积分

Section titled “四、含有 √(a²-x²)a2−x2​ 的积分”
∫ √(a²-x²) dx = x/2√(a²-x²) + (a²)/(2)arcsinx/a + C (20) ∫ x√(a²-x²) dx = -1/3(a²-x²)³/2 + C (21) ∫ x²√(a²-x²) dx = x/8(2x²-a²)√(a²-x²) + (a⁴)/(8)arcsinx/a + C (22) ∫ (dx)/(√(a²-x²)) = arcsinx/a + C (23) ∫ (x dx)/(√(a²-x²)) = -√(a²-x²) + C (24) ∫ (x² dx)/(√(a²-x²)) = -x/2√(a²-x²) + (a²)/(2)arcsinx/a + C (25) ∫ (a²-x²)³/2 dx = x/8(5a²-2x²)√(a²-x²) + (3a⁴)/(8)arcsinx/a + C (26) ∫ fracdx(a²-x²)³/2 = (x)/(a²√(a²-x²)) + C (27) ∫ fracx dx(a²-x²)³/2 = (1)/(√(a²-x²)) + C (28) ∫ fracx² dx(a²-x²)³/2 = (x)/(√(a²-x²)) - arcsinx/a + C (29) ∫ (dx)/(x√(a²-x²)) = 1/aln|(a-√(a²-x²))/(x)| + C (30) ∫ (dx)/(x²√(a²-x²)) = -(√(a²-x²))/(a²x) + C (31) ∫ (dx)/(x³√(a²-x²)) = -(√(a²-x²))/(2a²x²) - (1)/(2a³)ln|(a+√(a²-x²))/(x)| + C (32) ∫ (√(a²-x²))/(x) dx = √(a²-x²) - aln|(a+√(a²-x²))/(x)| + C (33) ∫ (√(a²-x²))/(x²) dx = -(√(a²-x²))/(x) - arcsinx/a + C (34)

五、含有 √(x² ± a²) 的积分

Section titled “五、含有 √(x² ± a²)x2±a2​ 的积分”
∫ √(x²± a²) dx = x/2√(x²± a²) ± (a²)/(2)ln|x+√(x²± a²)| + C (35) ∫ x√(x²± a²) dx = 1/3(x²± a²)³/2 + C (36) ∫ x²√(x²± a²) dx = x/8(2x²± a²)√(x²± a²) - (a⁴)/(8)ln|x+√(x²± a²)| + C (37) ∫ (dx)/(√(x²± a²)) = ln|x+√(x²± a²)| + C (38) ∫ (x dx)/(√(x²± a²)) = √(x²± a²) + C (39) ∫ (x² dx)/(√(x²± a²)) = x/2√(x²± a²) ∓ (a²)/(2)ln|x+√(x²± a²)| + C (40) ∫ (x²± a²)³/2 dx = x/8(2x²± 5a²)√(x²± a²) ± (3a⁴)/(8)ln|x+√(x²± a²)| + C (41) ∫ fracdx(x²± a²)³/2 = ± (x)/(a²√(x²± a²)) + C (42) ∫ fracx dx(x²± a²)³/2 = -(1)/(√(x²± a²)) + C (43) ∫ fracx² dx(x²± a²)³/2 = -(x)/(√(x²± a²)) + ln|x+√(x²± a²)| + C (44) ∫ (dx)/(x²√(x²± a²)) = ∓ (√(x²± a²))/(a²x) + C (45) ∫ (dx)/(x³√(x²+a²)) = -(√(x²+a²))/(2a²x²) + (1)/(2a³)ln|(a+√(x²+a²))/(x)| + C (46) ∫ (dx)/(x³√(x²-a²)) = (√(x²-a²))/(2a²x²) + (1)/(2a³)arccos(a)/(|x|) + C (47) ∫ (√(x²+a²))/(x) dx = √(x²+a²) - aln|(a+√(x²+a²))/(|x|)| + C (48) ∫ (√(x²-a²))/(x) dx = √(x²-a²) - aarccos(a)/(|x|) + C (49) ∫ (√(x²± a²))/(x²) dx = -(√(x²± a²))/(x) + ln|x+√(x²± a²)| + C (50) ∫ (dx)/(x√(x²+a²)) = 1/aln|(x)/(a+√(x²+a²))| + C (51) ∫ (dx)/(x√(x²-a²)) = 1/aarccos(a)/(|x|) + C (52)
∫ (dx)/(a+bx+cx²) = displaystyle (2)/(√(4ac-b²))arctan(2cx+b)/(√(4ac-b²)) + C, & 当 b² < 4ac, displaystyle (1)/(√(b²-4ac))ln|(√(b²-4ac)-b-2cx)/(√(b²-4ac)+b+2cx)| + C, & 当 b² > 4ac. (53)

七、含有 √(a+bx+cx²) 的积分

Section titled “七、含有 √(a+bx+cx²)a+bx+cx2​ 的积分”
∫ (dx)/(√(a+bx+cx²)) = displaystyle (1)/(√(c))ln|2cx+b+2√(c(a+bx+cx²))| + C, & 当 c > 0, displaystyle (1)/(√(-c))arcsin(2cx+b)/(√(b²-4ac)) + C, & 当 c < 0, b² > 4ac. (54) ∫ √(a+bx+cx²) dx = (2cx+b)/(4c)√(a+bx+cx²) + (4ac-b²)/(8c)∫ (dx)/(√(a+bx+cx²)) (55) ∫ (x dx)/(√(a+bx+cx²)) = 1/c√(a+bx+cx²) - (b)/(2c)∫ (dx)/(√(a+bx+cx²)) (56)
∫ sin² ax dx = (1)/(2a)(ax - sin axcos ax) + C (57) ∫ cos² ax dx = (1)/(2a)(ax + sin axcos ax) + C (58) ∫ sinⁿ x dx = -1/nsinⁿ-1xcos x + (n-1)/(n)∫ sinⁿ-2x dx (59) ∫ cosⁿ x dx = 1/ncosⁿ-1xsin x + (n-1)/(n)∫ cosⁿ-2x dx (60) ∫ tan x dx = -ln|cos x| + C (61) ∫ cot x dx = ln|sin x| + C (62) ∫ tanⁿ x dx = fractanⁿ-1xn-1 - ∫ tanⁿ-2x dx (63) ∫ cotⁿ x dx = -fraccotⁿ-1xn-1 - ∫ cotⁿ-2x dx (64) ∫ sec x dx = ln|sec x + tan x| + C (65) ∫ csc x dx = -ln|csc x + cot x| + C (66) ∫ secⁿ x dx = fractan xsecⁿ-2xn-1 + (n-2)/(n-1)∫ secⁿ-2x dx (67) ∫ cscⁿ x dx = -fraccot xcscⁿ-2xn-1 + (n-2)/(n-1)∫ cscⁿ-2x dx (68) ∫ sec xtan x dx = sec x + C (69) ∫ csc xcot x dx = -csc x + C (70) ∫ sin axsin bx dx = -(sin(a+b)x)/(2(a+b)) + (sin(a-b)x)/(2(a-b)) + C (a² ≠ b²) (71) ∫ sin axcos bx dx = -(cos(a+b)x)/(2(a+b)) - (cos(a-b)x)/(2(a-b)) + C (a² ≠ b²) (72) ∫ cos axcos bx dx = (sin(a+b)x)/(2(a+b)) + (sin(a-b)x)/(2(a-b)) + C (a² ≠ b²) (73) ∫ sin^m xcosⁿ x dx &= fracsin^(m+1)xcosⁿ-1xm+n + (n-1)/(m+n)∫ sin^m xcosⁿ-2x dx &= fracsin^(m-1)xcosⁿ+1xm+n + (m-1)/(m+n)∫ sin^(m-2)xcosⁿ x dx (74) ∫ (dx)/(a+bcos x) = displaystyle (2)/(√(a²-b²))arctan(√((a-b)/(a+b))tanx/2) + C, & 当 a² > b², displaystyle (1)/(√(b²-a²))ln|(b+acos x+√(b²-a²)sin x)/(a+bcos x)| + C, & 当 a² < b². (75) ∫ e^(ax) dx = e^(ax)(x-1) + C (76) ∫ xⁿ e^(ax) dx = xⁿ e^(ax) - n∫ xⁿ-1e^(ax) dx (77) ∫ ln x dx = x(ln x - 1) + C (78) ∫ xⁿln x dx = fracxⁿ+1(n+1)²[(n+1)ln x - 1] + C (79) ∫ xsin x dx = sin x - xcos x + C (80) ∫ xcos x dx = cos x + xsin x + C (81) ∫ xⁿsin x dx = -xⁿcos x + n∫ xⁿ-1cos x dx (82) ∫ xⁿcos x dx = xⁿsin x - n∫ xⁿ-1sin x dx (83) ∫ e^(ax)sin bx dx = frace^(ax)(asin bx - bcos bx)a²+b² + C (84) ∫ e^(ax)cos bx dx = frace^(ax)(acos bx + bsin bx)a²+b² + C (85) ∫ arcsin x dx = xarcsin x + √(1-x²) + C (86) ∫ arctan x dx = xarctan x - 1/2ln(1+x²) + C (87) ∫ xⁿarcsin x dx = (1)/(n+1)(xⁿ+1arcsin x - ∫ fracxⁿ+1√(1-x²) dx) (88) ∫ xⁿarctan x dx = (1)/(n+1)(xⁿ+1arctan x - ∫ fracxⁿ+11+x² dx) (89)
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