Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

DDR 3 p.132-189

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
511.86 Кб
Скачать

b

f (x)dx f (c)(b a) .

a

A number f(c) is called a mean-value of f(x) in [a, b].

a

a

11. а) f (x)dx 2 f (x)dx , if f (x) is an even function;

a

0

a

 

b)f (x)dx 0 , if f (x) is an odd function.

a

12. b f x dx b f t dt.

a

a

The variable of integration is a “dummy variable” in the sense that any other variable produces the same result, that is, the same number.

13. If

f (x)

has integral in [a, b] and x [a; b] , then

 

 

 

x

 

 

а) Ф(x) f (t)dt exists and is continuous in [a, b] ;

 

 

 

a

 

 

 

d

 

 

d

x

b)

Ф(x)

f (t)dt f (x) .

 

dx

 

dx

 

a

 

 

 

 

 

6.3.Evaluating definite integrals

6.3.1.The fundamental theorem of integral calculus by Newton-

Leibniz

This section shows that there is an intimate connection between the definite integral and the derivative. This relationship, expressed in the fundamental theorem of integral calculus by Newton-Leibniz, provides a tool for computing many, but not all, definite integrals without having to form a single approximating sum. The argument will be intuitive.

Fundamental theorem. If f (x) is continuous on interval [a,b] and F(x) is any antiderivative of f (x) there, then

b

f (x)dx F(b) F(a) .

a

Usually, F(b) – F(a) is abbreviated by writing

b

b

 

f (x)dx F(x)

F(b) F(a).

a

a

 

 

 

152

The substitution method and integration by parts are the most general techniques.

6. 3.2. Substitution technique for a definite integral

Let f(x) be a continuous function on the interval [a, b], x (t) be a differentiable function on the interval [ ; ] , and ( ) a , ( ) b , then

b

f (x)dx f ( (t)) (t)dt .

6.3.3.Integration by parts

The integration by parts of definite integral is made according to the formula:

b

b

b

udv uv

a

vdu,

a

a

 

where u and v are the differentiable functions of x on the interval [a, b].

T 6. Typical problems

Evaluate the given definite integrals.

1. 1 3x2 2x 3 dx.

2

Solution. Here f(x) = 3x2 2x + 3, a = 2; b = 1. Since an antiderivative of 3x2 2x + 3 is F(x) = x3 x2 + 3x, then:

1 3x2 2x 3 dx F 1 F 2 1 1 3 8 4 6 21.

2

If we had chosen F(x) to be x3

x2 + 3x + C, then F(1) F( 2) =

1 1 3 C 8 4 6 C 21,

as before. Since the choice of the

value of C is immaterial, for convenience we shall always choose it to be 0, as originally done. Usually F(b) F(a) is abbreviated by writing: F x ba .

Hence we have 1 3x2 2x 3 dx x3 x2 3x 1 2

2

= (1 1 + 3) ( 8 4 6) = 21.

153

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 3

1 xdx 3

1 xd (1 x)

 

3 (1 x)4

 

(0 1)

.

4

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1 tg2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d(1 tg x)

(1 tg x)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

cos

2

x

(1 tg x)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 tg x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

2 3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 tg x

 

 

 

 

 

 

 

 

1 tg

 

 

 

1 tg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 2

 

1 cos 2x dx

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

dx

 

sin xdx

 

 

( sin x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

 

cos x

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

( 1 0) (0 ( 1)) 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Find the mean-value of

 

f (x)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

in [2; 3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. By property 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (c)

 

 

 

 

 

 

 

f (x)dx ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where f (c) is the mean-value of

 

f (x)

 

in [a; b] , c [a; b] .

 

 

 

 

 

 

 

We have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

d

x

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2x 1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (c)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 x

 

 

 

x 1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

(arctg

 

 

5

 

arctg

3)

 

2

 

 

arctg

 

3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

3

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Used a formula arctg arctg arctg

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

154

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Show that 4

(x4 x2 ) tg xdx 0 . Do not evaluate the definite

 

 

 

 

 

 

 

integral.

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Limits

of integration

are symmetrical to zero, namely if

f (x) (x4 x2 ) tg x

is odd, by property 11 the given integral is equal to 0.

We have:

 

 

 

 

f ( x) (( x)4 ( x)2 ) tg( x) (x4 x2 ) tg x f (x) ,

consequently, f (x) is the odd function.

 

7. Show that the substitution is not used x sin t

to obtain the integral

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

ò x 3 1-x2 dx .

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

Solution. Domain of

t is ( ; ) correspondent x

[ 1; 1] , however the

interval

of the integral is [0; 2] .

Therefore, do not use the substitution

x sin t

to obtain the integral

 

 

In Problems 8 to 10 use the substitutions to evaluate the given definite integrals.

4 x2dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. I

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Case 1. I

 

t x3 1;

 

 

 

1 x 4

dt

 

1

 

 

t

 

 

x 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

3x

 

 

dx;

 

 

3 x 2

 

3

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

 

1 ln

 

x3

1

 

 

 

4

 

1

ln 63 ln 7

1 ln 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Case 2. Since t = x3 1, when x = 2 we have t = 7 when x = 4

t = 63. Thus

I

1

63 dt

 

1 ln

 

t

 

 

63

 

1

ln 63 ln 7

1 ln 9.

 

 

 

 

 

 

2

 

dx

 

 

3

7

t

 

3

 

 

 

 

7

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

155

Solution. The substitution tg 2x t transforms the integral to

 

2

 

 

 

 

 

 

tg

x

t,

x 2 arctg t,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2dt

 

 

 

 

 

 

1 t

2

 

 

 

0

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos x

dx

 

 

 

, cos x

,

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t2

 

t

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2dt

 

 

 

 

 

 

1

 

 

dt

 

 

2

 

 

 

 

 

t

 

1

 

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

arctg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

1 t

2

 

3

t

2

3

 

 

3

 

0

3

 

3

3 3

0

(1

t

2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

) 2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 5

e x

xe x 1 dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

e

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Let e x 1 t , the limits of integration with respect to t are: when x = 0 we have e0 1 0 and when x = ln5 t =

eln 5 1 2 . Evaluate

 

 

 

 

 

 

 

e x

t 2

1 , e x dx 2tdt ,

 

 

 

dx

 

2tdt

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t 2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 5

e x

 

e x

1

 

2

 

(t 2

1)

t

 

 

2tdt

 

 

2

 

 

 

t 2

2

t 2 4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

dt 2

 

 

 

 

 

 

dt

e

x

 

 

3

 

t

2

 

 

 

2

1

 

t

2

4

t

2

 

4

0

 

 

 

0

 

 

 

4 t

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

2 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 (1

 

)dt

2(t

2 arctg

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In Problems 11 to 13 apply integration by parts.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Evaluate I 4 ln x dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We try

u ln x

and dv

 

 

dx

 

. Then

du dx

and

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

x dxx 4 ln 4 4

 

 

 

4

 

v = x

 

2 dx 2x 2 . Thus I = 2

 

x ln x

1

 

2

x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

156

=4ln4 8 + 4 = 4(ln4 1).

12. 2 x 2 sin xdx .

0

Solution. Apply integration by parts twice:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv sin xdx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x 2 sin xdx

 

u x 2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du 2xdx,

v

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

u x,

dv cos xdx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

cos x

 

2

 

2 x cos xdx

2 x cos xdx

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

du dx, v sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x sin x

 

2

2 sin xdx

2 cos x

 

2

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

13. 2 sin n xdx ( n is a natural number).

0

Solution.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J n

 

2 sin n

xdx

u sinn 1 x,

dv

sin xdx,

 

 

 

 

 

du (n 1)sinn 2 xcos xdx,

v

cos x

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

cos x sin n 1

x

 

2

(n 1) cos2

x sin n 2

xdx

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n 1) 2 (1 sin 2 x) sin n 2 xdx (n 1) 2 sin n 2 xdx (n 1) 2 sin n xdx .

0

0

0

Thereby

J n (n 1)J n 2 (n 1)J n .

Thereafter

157

J n nn 1 J n 2 .

If n 2k 1 is an odd number, we get a recursion formula. Recall that

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J1 sin xdx cos x

 

2

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then

 

(2k 2)!!

 

 

 

 

 

(2k 2)(2k 4) 4 2

 

 

 

 

 

 

 

J 2k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( k N ).

(2k 1)!!

 

 

(2k 1)(2k 3) 5 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If n 2k is an even number and recalling that J 0

 

 

 

 

dx

 

,

 

0

 

we get a recursion formula

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J 2k

(2k 1)!!

 

 

 

 

 

(2k 1)(2k 3) 3 1

 

 

 

 

 

( k N ) .

 

2

 

 

 

 

(2k)(2k 2) 4 2

 

 

2

 

 

 

(2k)!!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 6. Exercises for class and homework

Evaluate the given definite integrals.

 

16

 

 

x 4

 

 

 

 

 

 

1.

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x 2

 

 

 

 

 

2

 

dx

 

 

 

 

4.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

2 cos x 3

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

7.

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

x 1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln14

e

x

e

x

5

 

10.

 

 

 

 

 

dx .

 

 

e

x

 

 

 

ln 5

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

13. a 2 x 2 dx .

0

2

2

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

x

 

x 2 1dx .

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

sin

1

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

 

 

 

x

 

dx .

 

 

 

x

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

8.

 

 

 

 

dx .

 

 

1 x

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 2

 

 

 

 

11.

 

 

 

 

 

1 e2x dx .

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

dx

 

14.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 x5

 

x 2 1

 

 

e

dx

 

 

3.

 

 

.

 

 

 

 

1

x 1 ln 2 x

 

2

dx

 

 

6.

 

.

 

x(x 1)

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

14

x

 

 

 

9.

 

dx .

2 x

 

2

 

 

1

12. x 2 1 x 2 dx .

0

15. 2 dx .

1 x x3

158

 

3

 

dx

 

16.

 

 

.

x

x 2 5x 1

 

1

 

 

e 2

 

 

19.

ln(x 2)dx .

 

 

0

 

 

 

1

17. xe x dx .

0

 

 

 

 

 

 

20. 3

xdx

 

.

2

 

 

sin

x

 

4

 

 

 

 

Answers

18. 4 x cos 2xdx .

0

e

21. ln 2 xdx ;

1

1. 12.

2.

26

. 3.

 

.

4.

 

 

 

2

 

arctg

 

1

 

.

 

5. 1.

 

6. ln

 

4

.

7.

3.

8. 2

 

 

 

. 9. 88 .

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

11.

 

3

 

ln(2

 

3) .

12.

 

 

 

 

.

 

 

13.

 

a

2

.

14.

 

 

1

 

(

 

7

3

8) .

15.

 

1

ln

8

.

 

2

 

16

 

 

 

 

4

 

32

 

 

2

2

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16. ln

 

7 2

7

.

17.1 2/ e .

18.

 

 

 

1

. 19. 2 2ln 2 .

20.

 

 

 

(9 4

3)

1

ln

3

 

. 21.

e 2 .

 

 

9

 

8

 

4

 

36

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 6. Individual test problems

Use the substitution to evaluate the integrals.

293 (x 2)2

1.3 3 3 (x 2)2 dx .

8

x 1 1

 

4.

dx .

 

3

x 1 1

ln 5

e x

xe x 1 dx .

7.

0

 

e

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

10.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 1

2x 1

0.5 ln 2

 

e x dx

13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

e

x

e

x

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

16.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

0

x 1

(x 1)3

ln 2

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

e

x

(3 e

x

)

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2x

3x 1

ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

 

 

 

 

 

e x

1dx .

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 / 3

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

11.

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2 / 3

 

 

 

3x 2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

14.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

x 1

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

17.

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

3x 1

 

 

 

 

 

 

8

xdx

 

3.

.

 

3

x 1

 

2 ln 2

 

dx

 

 

 

 

 

6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

e

x

 

 

 

 

ln 2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

9.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

0

 

 

x 4

 

 

 

 

 

 

ln 3

 

 

dx

 

 

 

 

 

12.

 

 

 

 

 

.

e

x

e

x

 

ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x2 dx

 

 

 

 

15.

 

 

.

 

 

 

4

 

0

(1 x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 7

 

 

x2 dx

 

 

18.

 

 

 

.

 

 

 

 

0

 

 

9 x3

159

 

 

5

 

 

x

2

dx

 

 

 

 

 

/ 2

 

cos xdx

 

 

0

 

 

x

 

 

 

19.

 

 

 

 

 

 

.

20.

 

 

.

21.

1 e x dx .

 

(x 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

x 1

 

0

 

 

4 sin x

ln 3

1 e

 

 

 

 

ln 2

 

dx

 

 

 

 

 

e3

 

dx

 

 

 

 

 

 

ln 3

dx

 

22.

 

 

 

 

 

 

.

23.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

24.

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

e x 1 e 2x

 

1 x 1 ln x

 

 

 

 

ln 2

1 e x

 

e3

 

 

ln xdx

 

 

 

 

 

26

x3dx

 

 

 

 

9

 

 

xdx

 

 

 

 

25.

 

 

 

 

.

 

 

26.

 

 

 

 

 

.

27.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

(1 x

2

)

2 / 3

 

x 1

 

 

e

2 x(1 ln

 

 

x)

 

7

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

(x 1)dx

 

 

 

 

 

 

ln12

 

dx

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

xdx

 

 

28.

.

29.

 

 

 

 

 

.

 

 

30.

 

.

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2x 1

 

 

 

 

 

ln 5

 

4 e x

 

 

 

 

1

5 4x

 

 

 

Topic 7. Improper integrals

Improper integrals: integral of integration unbounded and integrand unbounded. Definitions and evaluation. Convergent and divergent improper integrals.

Literature: [1, section 8], [3, term 7, §2], [6, section 9, п. 9.4], [7, section 11, §7], [9, §40].

T 7. Main concepts

7.1. Improper integrals: integral of integration unbounded

There is the first type of improper integral. Suppose f(x) is continuous and nonnegative for a x ∞ (see fig. 2.2).

у

у=f(x)

О а

 

b х

Fig. 2.2

We know that integral b f x dx is the area

a

of the region between the curve y = f(x) and the x-axis from x = a to x = b. As b ∞, we may

think of lim b f x dx as the area of the

b a

unbounded region that is shaded in fig.2.2. This limit is abbreviated by

f x dx ,

a

160

called the first type of improper integral. If this limit exists, f x dx is said

a

to be convergent or to converge to that limit. In this case the unbounded region is considered to have a finite area, and this area is represented by

f x dx . If the limit does not exist, the improper integral is said to be

0

divergent and the region does not have a finite area.

We can remove the restriction that f(x) 0. In general, the improper

 

 

 

 

 

integral f x dx is defined by

 

 

 

0

 

 

 

 

 

f x dx

lim A

f x dx .

 

 

 

A

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

b

 

Other forms of improper integrals are

f x dx and

f x dx . In each

 

 

 

 

 

of three forms of improper integrals, the interval over which the integral is evaluated has infinite length.

The improper integral b f x dx is defined by

If this limit exists,

divergent.

b

f x dx

lim

b

f x dx .

 

 

B

 

 

 

 

B

 

b f x dx is said to be convergent. Otherwise, it is

 

 

 

 

 

 

The improper integral

 

f x dx is defined in terms:

 

 

 

 

 

 

 

 

c

A

 

 

f (x)dx

lim

 

f (x)dx lim

f (x)dx ,

 

B

A

 

 

 

 

B

c

 

where c is the real number.

If both integrals on the right side are convergent, then f x dx is said to

be convergent. Otherwise, it is divergent.

161

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]