Golovko
.pdfМетодическое пособие по теме "Неопределенный интеграл" Головко А.Ю.
Введение
Âнастоящем пособии в компактной форме изложены основные методы нахождения неопределенных интегралов. Сборник состоит из пяти параграфов.
Âпервом параграфе введены основные свойства и список табличных интегралов, также рассмотрены основные методы интегрирования: метод алгебраи- ческих преобразований для приведения к табличным интегралам, метод замены переменных, метод интегрирования по частям. Приведены задачи, которые решаются комбинированными методами и методом сведения к уравнению относительно интеграла.
Второй параграф посвящен интегрированию рациональных функций. В нем рассмотрен метод неопределенных коэффициентов и метод Остроградского. Эти методы позволяют свести интегралы от рациональных функций к табличным интегралам.
Âтретьем параграфе рассмотрены интегралы от тригонометрических и гиперболических функций: с помощью замен мы будем сводить эти интегралы к интегралам от рациональных функций (или табличным интегралам).
Четвертый параграф посвящен интегралам от иррациональных функций определенных видов, сводящимся к интегралам от рациональных и тригонометрических функций (или табличным интегралам).
Âпятом параграфе приведены задачи для самостоятельного решения, к которым даны ответы, в том числе задачи с письменных экзаменационных работ по курсу "Введение в математический анализ". Большое количество аналогич- ных задач можно также найти, например, в [1].
Данное пособие соответствует программе семинарских занятий для студентов первого курса МФТИ по теме "Неопределенный интеграл". Большинство разобранных задач взяты из сборника задач [1]. Автор благодарит Иванову С.В. за обсуждение данного пособия и ряд полезных замечаний.
Все замеченные ошибки и неточности просьба присылать по эл. адресу andrewgolovko@yandex.ru.
1
1. Неопределенный интеграл: определение, основные свойства и методы интегрирования
Введем вначале основные понятия: первообразная и неопределенный интеграл. Их можно найти в [2] [6].
Определение. Пусть 1 6 a < b 6 +1 и на ha; bi1 заданы функции f
и F . Тогда функция F называется первообразной функции f, если при всех x 2 ha; bi F 0(x) = f(x). При этом в случае a 2 ha; bi, b 2 ha; bi производные F 0(a), F 0(b) понимаются как соответствующие односторонние.
Определение. Совокупность всех первообразных функции f называют неопре-
Структуру множества первообразных |
R |
деленным интегралом функции f и обозначают |
f(x)dx.2 |
описывает следствие теоремы Лагран-
æà.
Утверждение. Пусть F1 è F2 две первообразные функции f. Тогда F2(x) F1(x) = C, где C константа.
Таким образом, неопределенный интеграл является совокупностью всех функции, отличающихся на константу от фиксированной первообразной (если первообразная существует).
Отметим свойство линейности неопределенного интеграла. Утверждение. Если функции f и g имеют первообразные на ha; bi, ; 2 R,
R
2 + 2 6= 0, то на ha; bi существует ( f(x) + g(x)) dx и верно равенство
Z Z Z
( f(x) + g(x)) dx = f(x)dx + g(x)dx:
Составим таблицу неопределенных интегралов, которую легко получить из таблицы производных.
axa+1
1.x dx = a+1 + C, a 6= 1, x > 0.
2.R axdx = lnaxa + C, a > 0, a 6= 1, в частности R exdx = ex + C.
3.R x1 dx = ln jxj + C; x 6= 0, R x+1 a dx = ln jx + aj + C, x 6= a.
R
4. k 2 Z;
R
5. x 6= 0.
R
6.
|
|
|
|
|
|
|
|
xR= k, k |
|
|
|
|
|
|
R |
dx |
|
|
|
|
|
|
sin2 x |
= ctg x + C, |
|
Z. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
sin xdx = cos x + C; |
cos xdx = sin x + C; |
|
cos2 x = tg x + C, x 6= 2 + k, |
|||||||||||||||||
R |
|
dx |
|
|
|
6 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
dx |
|
|||||||
sh xdx = ch x+C; R ch xdx = sh x+C; R |
|
= th x+C; R |
|
|
= cth x+C, |
|||||||||||||||
ch2x |
|
sh2x |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
dx |
|
x |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
p |
|
= arcsin |
|
+ C = arccos |
|
+ C, jxj < jaj. |
|
|
|
||||||||||
|
jaj |
jaj |
|
|
|
|||||||||||||||
|
a2 x2 |
|
|
|
R |
|
|
dx |
|
|
p |
|
|
, 2 |
|
|
|
|
. |
|
|
|
1 j |
|
2 |
j 1 |
|
|
|
a |
||||||
|
|
dx |
x |
|
|
|
x |
|
|
||||||
7. |
|
px2+a |
= ln |
x + x + a + C x > |
|
|
|||||||||
1 a; bR |
промежуток, т. е. либо отрезок [a; b], либо полуинтервал [a; b), либо полуинтервал (a; b], либо |
||||||||||||||
8. |
|
x2+a2 |
|
= a arctg a |
+ C = a arcctg a |
+ C, a 6= 0. |
h i
интервал (a; b).
2Иногда неопределенный интеграл определяют как одну фиксированную первообразную (см. 9.1, [2]).
2
9. |
R x2 a2 |
= 21a ln |
x+a |
+ C, x 6= a, a 6= 0. |
||||
|
|
dx |
|
|
|
x |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Интегралы 1-5 сразу находятся из таблицы производных. Для доказательства равенства интегралов 6-8 тому, что написано в правых частях, достаточно вычислить производные правых частей. Интеграл 9 можно найти следующим образом:
R |
|
dx |
|
|
x+aR |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
R |
dx 1 |
R |
dx |
1 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
2a ln |
|
x a x+a |
dx = 2a |
x a 2a |
x+a = 2a (ln jx aj ln jx+ aj) + |
|||||||||||||||||||||||||
x2 a2 |
= |
|
2a |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
C = |
1 |
|
|
|
x a |
|
+ C. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
x |
|
|
 |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
= |
|||||||
arcsin jaj |
+ C è |
arccos jaj |
+ C, соответствуют различные константы ( arcsin jaj |
|||||||||||||||||||||||||||
Замечание. |
|
интеграле 6 одной и той же первообразной, записанной в виде |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arccos jxaj + 2 ). Тоже самое касается и интеграла 8.
Проллюстрируем на примерах общие методы интегрирования (которые сводят интегралы к табличным): метод алгебраических преобразований для приведения к табличным интегралам (в том числе использование линейности, понижение степени тригонометрических и гиперболических функций), метод замены переменных, метод интегрирования по частям, сведение к уравнению относительно интеграла (задача 1.11).
1. Метод преобразований для приведения к табличным интегралам. |
|
|
||||||||||||||||||||||
Задача 1.1 |
|
|
|
|
|
R |
x2 |
x |
+1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
3 |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
2 |
|
2 |
||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
px |
1 |
dx |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
Найти интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
3 |
1 |
|
5 |
|
3 |
||||
2x2R |
x |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
x |
+1 dx = x2 dx |
|
x2 dx + x |
2 dx = x |
|
|
x + x + C = 2x |
|
|
2x + |
||||||||||||||
+ C: |
R |
|
|
|
|
R |
|
|
5=2 |
|
3=2 |
1=2 |
5 |
|
3 |
|||||||||
1 |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание. В последней задаче мы использовали линейность неопределен-
ного интеграла.
Задача 1.2. Найти интеграл R sin2 xdx.
Решение.
Для вычисления данного интеграла целесообразно понизить степень синуса, для чего можно воспользоваться формулой косинуса двойного угла: sin2 x =
1 cos 2x
2,
R sin2 xdx = 12 R dx 12 R cos 2xdx = x2 sin42x + C.
Замечание. В последней задаче мы понизили степень тригонометрической функции (аналогичным образом можно проинтегрировать функции cos2 x, sin3 x
è ò. ï.).
|
Найти интеграл R |
dx |
|
Решение. |
|
|
|
2x2+7 . |
|||
Задача 1.3. |
|
|
|
Для того, чтобы свести данный интеграл к табличному, вынесем из знаме-
нателя двойку: |
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
||
|
dx |
1 |
|
dx |
|
1 |
|
2 |
x |
|
|||||||
2.R |
Метод заменыR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ C: |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
переменных. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
2x2+7 |
= 2 |
x2+ |
p7=2 |
2 |
= p14 arctg p7 |
Теорема. Пусть функция f имеет первообразную на ha; bi, функция ':
h ; i ! ha; bi дифференцируема на h ; i. Тогда на h ; i существует R f('(t))'0(t)dt и верно равенство
Z |
Z |
|
|
f('(t))'0(t)dt = |
|
f(x)dx |
: |
|
|
|
|
x='(t)
3
Замечание. После замены в неопределенном интеграле переменную интегрирования можно считать независимой переменной.
Замечание. В некоторых задачах мы будем делать замену "в обратную сторону"(при переходе от переменной интегрирования t к переменной интегри-
рования x использовать замену t = |
|
|
(x)). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2p |
|
|
|
|
|
dx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
Задача 1.4. Найти интеграл |
|
|
|
|
x3 + 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Òàê êàê x2 с точностью до |
постоянного множителя является производной |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
подкоренного выражения, используем замену t = x3 + 1. Тогда dt = 3x2dx è |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2px3 + 1dx = 31 |
|
|
ptdt = 31 |
|
t 2 |
+ C = 92 |
(x3 + 1) |
2 + C: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
3=2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Задача 1.5. Найти интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2x2 |
|
|
5x+7 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
Выделим в знаменателе полный квадрат: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
I = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 2 |
|
|
|
|
|
|
|
= 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2x2 5x+7 |
x2 25 x+ 27 |
|
|
|
|
(x 45 )2+ 1631 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Ñ |
|
помощью замены |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
(ïðè ýòîì |
dx = dt |
) сводим интеграл к таблич- |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R x 4 = t |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
íîìó: |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
4t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4x 5 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
I = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
p |
|
|
arctg |
p |
|
|
|
+ C = |
p |
|
arctg p |
|
|
+ C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
t2+(p |
|
|
|
=4)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31 |
31 |
|
31 |
31 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
31 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Задача 1.6. |
|
Найти интеграл |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
x+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Представим числитель в виде линейной комбиниции производной знамена- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
теля и константы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x 1 = (2x 1) + C = 21 (2x 1) + C = 21 (2x 1) 21 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
т.е. мы подбираем , уравнивая коэффициенты при x, а потом находим C, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
уравнивая коэффициенты при x0 (константы). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Таким образом, |
|
|
|
|
|
|
2x |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
dx = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
ln |
j |
|
x + 1 |
j 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x |
|
|
2 |
+ 43 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x |
|
|
x+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 x |
x+1 |
|
|
2 x |
|
|
|
x+1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
21 ) |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
lnR x2 |
|
|
|
|
|
|
x + 1 |
|
|
|
|
|
|
|
1R |
arctg2x |
1 |
+ C.R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j p3 |
|
|
|
|
|
|
|
p3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Bx+C |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
Замечание. Этот способ применим для нахождения интегралов вида |
|
dx |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ïðè D = p2 |
|
4q < 0, что будет использоваться в 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
x2+px+q |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos x |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Задача 1.7. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
Найти интеграл |
R pesin x 1 dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Вначале используем замену sin x = t (при этом cos xdx = dt), что позволит |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
убрать из подынтегральной функции тригонометрические функции : |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
I = |
|
|
|
|
|
|
p |
|
cos x |
|
|
|
dx = |
|
|
|
p |
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
esin x 1 |
|
|
|
et 1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ÄëÿRтого, чтобы |
избавиться от иррациональности, сделаем замену |
|
u = |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
p |
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
et |
1 |
. Ïðè ýòîì et |
= u2 + 1, etdt = 2udu и исходный интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2udu |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
du |
|
|
|
= 2 arctg u + C = 2 arctgpet |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
I = |
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
= 2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 + C = |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u(u2+1) |
|
|
|
u2+1 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 arctgpResinex |
1 |
1 |
+RC: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
3. Метод интегрирования по частям. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Теорема. Пусть на некотором промежутке функции u и v дифференцируе- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
мы и существует |
|
|
u0(x)v(x)dx. Тогда на этом промежутке существует |
|
|
u(x)v0(x)dx |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
и верно |
равенство |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
Z Z
u(x)v0(x)dx = u(x)v(x) u0(x)v(x)dx:
а) Интегралы вида |
Pn(x)f(x)dx, ãäå Pn многочлен, а f равна sin ax, |
|||||||
cos |
ax, ax, |
sh |
ax, èëè |
|
ax. |
|
|
|
|
|
|
ch R |
R x sh xdx |
|
|||
Решение. |
Найти интеграл |
. |
||||||
Задача 1.8. |
|
|
|
|
Используем метод интегрирования по частям: u(x) = x, v(x) = ch x (выбираем наиболее простую первообразную функции sh x).
R R
x sh xdx = x ch x ch xdx = x ch x sh x + C.
Если вместо x в подынтегральной функции стоял бы многочлен произвольной степени n, то мы смогли бы найти интеграл, используя метод интегриро-
вания по частям несколько раз. При этом на каждом шаге степень многочлена в подынтегральной функции уменьшалась бы на один, и через n шагов мы бы
пришли к табличному интегралу. Аналогично мы можем найти интегралы от функции, являющейся произведением многочлена и одной из функций sin ax,
cos ax, ax, sh ax, ch ax. Решим такую задачу. Задача 1.9. Найти интеграл R (x2 + x) sin 2xdx.
Решение.
Будем находить интеграл, дважды используя метод интегрирования по ча- стям. Для этого в качестве функции u берем многочлен подынтегральной функ-
öèè:
2 |
|
(x2 + x) sin 2xdx = (x2 + x) cos22x |
+ 21 |
|
(2x + 1) cos 2xdx = (x2 + x)cos22x + |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
R2 (2x + 1) sin 2x |
|
|
sin 2xdx |
|
= (x2 + x)R |
2 |
|
|
+ |
4 (2x + 1) sin 2x + |
4 |
|
+ C. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 2x |
|
1 |
|
|
|
|
cos 2x |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
б) Интегралы |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
торую сложно |
|
|
âèäà |
|
P (x)f(x)dx, ãäå P |
|
|
многочлен, а f функция, ко- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
проинтегрировать, но легко продифференцировать (например, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
обратная тригонометрическая функция или логарифм (возможно, от сложного |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
аргумента)). |
|
|
Найти интеграл |
R x |
|
arcsin xdx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Решение. |
|
|
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Задача 1.10. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Функцию арксинус сложно проинтегрировать, но ее производная являет- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ся табличной, поэтому используем метод интегрирования по частям с |
u(x) = |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
arcsin x, v0(x) = x2. Пусть v(x) = |
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
3 . Тогда получаем, что исходный интеграл |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
R |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
R |
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arcsin x 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
= t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
I = |
|
x arcsin xdx = |
|
3 |
|
|
|
p |
1 x2 |
dx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
последнем интеграле удобно использовать замену 2 |
|
|
, которая упростит |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
подынтегральную функцию. При этом 2xdx = dt и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
R |
|
|
x3 |
|
|
|
|
1 |
R |
|
|
tdt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Äëÿ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
I1 |
= |
|
p1 x2 dx = 2 |
|
|
p1 t . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
того чтобы избавиться от иррациональности, используем замену |
1 |
|
t = |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
, dt = 2udu, òî |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
u. Ïðè ýòîì 1 t = u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
åñòü |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Таким R |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
u3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 t) 2 |
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
(1 x2) 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
. |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
1 t + C = |
|
|
3 |
1 x + C |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
I1 |
= |
(1 u )du = 3 |
u + C = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
образом, исходный инòåãðàë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
I = arcsin x |
x3 |
|
|
(1 x2) |
2 |
+ |
|
p1 x2 |
+ C |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
3 |
|
|
|
|
9 |
|
x |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
a |
x |
f sh bx; ch bxgdx; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
R |
|
в) Интегралы вида |
|
|
a |
|
fsin bx; cos bxgdx, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
fsin ax; cos axgf sh bxR; ch bxgdx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5
|
|
Задача 1.11. |
|
Найти интеграл R a |
x |
|
|
|
|
|
|
, ïðè |
|
|
|
|
, |
|
, |
|
|
|
. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Решение. |
|
|
|
sin bxdx |
|
|
a > 0 |
|
a 6= 1 b 6= 0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Используем метод интегрирования по частям два раза, беря в качестве фунц- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
кии v степень, а в качестве функции u тригонометрическую функцию: |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ax |
|
|
|
bxdx |
|
|
ax sin bx |
|
|
b |
|
|
ax |
|
|
bxdx |
|
|
|
ax sin bx |
|
|
b |
|
ax cos bx |
|
b |
|
|
ax |
|
bxdx |
|
||||||||||||||||||
|
|
sin |
= |
|
|
ln2a |
|
ln a |
|
cos |
= |
|
ln a |
ln a |
|
|
|
ln a |
+ ln a |
|
sin |
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||
a |
x |
sin bx |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
b a |
|
|
cos bx |
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
lnRa |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
sin bxdx: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
ln |
a |
|
ln |
2 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
Мы получаем |
|
уравнение относительно |
|
|
|
ax sin bxdx. Для того, чтобы его ре- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
ax sin bxdx. При этом в правой |
|
||||||||||||||||||||||||||
шить, перенесем в левую часть слагаемое Rlnb2 a |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
части появится константа (так если в левой части зафиксировать первообраз- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ную, то в правой части вместо интеграла будет тоже первообразная (возможно, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
отличающаяся от первообразной в левой части на константу), а все первооб- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
разные отличаются от зафиксированной первообразной на константу). |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
1 + |
|
2 |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x sin bx |
|
|
b ax cos bx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
b |
ax cos bxdx = a |
|
|
|
|
ln2 a |
|
+ C. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ln2 a |
ln a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Разделив последнее равенство на |
|
|
|
b2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 + |
|
2 |
|
(константу C в силу произволь- |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ности можно не делить), получаем ответ: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ax cos bxdx = |
ln a a |
x |
sin2bx b |
ax cos bx |
+ C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В последней задаче мы использовали метод составления урав- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
a+b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание.
нения относительно интеграла. 4. Комбинированые методы.
Следующие две задачи допускают различные решения. В таких задачах
важно выбрать наиболее простой способ решения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Задача 1.12. Найти интеграл |
arctgpxdx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Решение, 1 способ. |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Используем метод интегрирования по частям, взяв u(x) = arctgp |
x |
, v0(x) = 1, |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v(x) = x. Тогда u0(x) = 2px(x+1) |
(случай б)), а исходный интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
R |
|
p |
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
R |
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
xdx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
arctg |
xdx = x arctg |
|
x 2 |
|
|
|
|
|
2tdt = dx |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
t = px |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
I = |
|
|
x+1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Сделав в последнем интеграле замену |
|
|
|
(ïðè ýòîì |
|
|
|
|
|
), получа- |
||||||||||||||||||||||||
åì: p |
|
R |
2t2dt |
R |
R |
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
p |
|
|
. |
|||||||||||||
xdx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
x+1 |
= |
t2+1 = 2 dt 2 |
|
t2+1 |
= 2t 2 arctg t + C = 2 |
|
x |
2arctg |
|
x |
+ C |
|
Таким образîì, èñõодный инòåãðàë
I = x arctg px px + arctgpx + C.
Решение, 2 способp.
Сделаем замену t = x (при этом 2tdt = dx), что позволит нам избавиться от иррациоíальности:
R |
t2 |
R |
u(t) = arctg t v0 |
(t) = t |
|
arctgpxdx = 2 |
|
t arctg tdt: |
|
|
|
Используем метод интегрирования по частям, взяв |
|
|
|
|
|
, |
|
, |
|||||||||||||||||||||||||
v(t) = |
|
|
|
|
u0(t) = |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2 . Тогда |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
t +1 (случай б)), а исходный интеграл равен |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
t2 |
|
|
2 |
arctg t |
|
|
1 |
|
|
2 |
arctg t |
|||||||||
|
|
2 |
|
t arctg tdt = t arctg t |
|
|
|
dt = t |
|
dt + |
|
|
|
dt = t |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1+t2 |
|
t2+1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||
t |
|
arctg t + C = x arctg p |
|
|
|
p |
|
+ arctgp |
|
|
+ C. |
R |
R |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
x |
|
x |
x |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
+ |
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
x |
arcsin x |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Задача 1.13. Найти интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
dx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Решение, 1 способ. |
|
|
|
|
|
R |
(x2 1)p1 x2 |
|
|
u(x) = arcsin x, v0(x) = |
|||||||||||||||||||||||
|
|
Используем метод интегрирования по частям, взяв |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
x |
|
|
, v(x) = |
1 |
|
(аналог случая б)). Тогда u0(x) = |
1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
p1 x2 |
|
p1 x2 |
, à |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
(1 x2) 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
|
|
|
x arcsin x |
|
|
|
|
arcsin x |
|
R |
dx |
|
arcsin x |
1 |
|
x 1 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
(x2 1)p |
|
|
|
dx = p |
|
|
|
+ |
1 x2 |
= p |
|
|
2 ln |
x+1 |
+ C |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
1 x2 |
1 x2 |
1 x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Решение, 2 способ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. Тогда |
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
||||||||||
Сделаем замену |
|
|
|
|
|
|
, ãäå |
t |
|
2 |
|
|
|
, |
|
|
2 |
= |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x = sin t |
|
|
|
2 |
; 2 |
|
|
|
|
dx = cos tdt |
1 x |
|
||||||||||||||||
pcos |
2 |
t = cos t (òàê êàê cos t > 0), à |
исходный интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
I = |
t sin t |
dt. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
cos2 t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u(t) = t, v0(t) = |
sin t |
||||||||||||||||||||
|
Используем метод интегрирования по частям, взяв |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
cos2 t , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
v(t) = |
|
1 |
R |
|
|
|
|
u0 |
(t) = 1 (аналог случая а)), а |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
cos t . Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
I = |
|
t |
+ |
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
cos t |
|
|
cos t . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Сделав в последнем интеграле обратную замену, находим |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
arcsin x |
|
|
|
|
dx |
|
arcsin x |
1 |
|
|
x |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x+1 + C. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
I = cos(arcsin x) + R |
1 x2 = p1 x2 |
2 ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
2. Интегрирование рациональных функций
Теоретической основой интегрирования рациональных функций являются следующие утверждения.
Утверждение. Любой многочлен Q (с действительными коэффициентами)
можно разложить на неприводимые множители (неприводимыми многочленами являются многочлены первой степени и квадратные трехчлены без корней):
Q(x) = a(x a1)k1 : : : (x as)ks (x2 + p1x + q1)l1 : : : (x2 + ptx + qt)lt ;
ãäå Di = p2i 4qi < 0 ïðè i = 1; t.
Замечание. Многочлен x4+1 не является неприводимым. Он раскладывает-
ся на неприводимые множители следующим образом: x4+1 = x4+2x2+1 2x2 = p p p
(x2 + 1)2 ( 2x)2 = (x2 + 2x + 1)(x2 2x + 1).
Утверждение. Пусть Q многочлен из предыдущего утверждения, P
многочлен, степень которого ниже степени многочлена Q. Тогда рациональную функцию P
Q
P (x) |
A11 |
|
A1k1 |
|
|
|
|
As1 |
|
|
Asks |
|
|
B11x + C11 |
|
||||
|
= |
|
|
+: : :+ |
|
|
|
+: : :+ |
|
|
+: : :+ |
|
|
+ |
|
|
+: : : |
||
|
x a1 |
|
|
|
|
x as |
|
|
x2 + p1x + q1 |
||||||||||
Q(x) |
|
(x a1)k1 |
|
|
|
(x as)ks |
|
||||||||||||
: : : + |
B1l1 x + C1l1 |
|
+ : : : + |
|
Bt1x + Ct1 |
+ : : : + |
Btlt x + Ctlt |
: |
|
||||||||||
(x2 + p1x + q1)l1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
x2 + ptx + qt |
|
(x2 + ptx + qt)lt |
|
Отметим, что в каждом слагаемом степень многочлена в числителе на 1 меньше степени неприводимого многочлена в знаменателе, а знаменатели это неприводимые многочлены в степенях, не превышающих их степень в исходной рациональной функции.
Пример.
|
|
2x+7 |
|
|
= |
A |
+ |
|
B |
|
+ |
|
C |
|
+ |
|
D |
+ |
Ex+F |
+ |
|
Gx+H |
|
+ |
(x 2) |
3 |
2 2 |
2 |
+3x+10) |
x 2 |
(x 2) |
2 |
(x 2) |
3 |
x+1 |
2 |
2 |
2 |
|||||||||||
|
(x+1)(x 2x+2) |
(x |
|
|
|
|
|
|
|
x 2x+2 |
|
(x 2x+2) |
|
|
Ix+K x2+3x+10 .
Рациональную функцию (частное двух многочленов) называют правильной, если степень числителя ниже степени знаменателя. В противном случае рациональную функцию называют неправильной. Если рациональная функция является неправильной, то числитель можно поделить на знаменатель с остатком, в результате чего рациональная функция будет представлена в виде суммы многочлена и правильной рациональной функции. Так как интеграл от многочлена является табличным, а интеграл суммы равен сумме интегралов, то все сводит-
ся к интегрированию дробей |
|
A |
|
A |
(ãäå n > 2), |
Bx+C |
(ãäå p |
2 |
4q < 0), |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x a) , (x a)n |
x2+px+q |
|
||||||
|
Bx+C |
2 |
4q < 0, n > |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
(ãäå p |
|
2), которые называют элементарными дробями. |
|||||||||||||||
|
(x2+px+q)n |
|
|||||||||||||||||||
Интеграл от первых трех элементарных дробей легко найти: |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
R |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
dx = A ln jx aj + C; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
(x a) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
A |
dx = |
|
A |
|
|
1 |
|
|
+ C; |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
(x a)n |
|
(n |
|
1)(x |
|
a)n 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
|
Bx+C |
B |
|
|
2x+p |
|
|
|
Bp |
|
dx |
|
|
|
B |
2 |
||||||||||
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
(â |
задаче R |
|
|
|
|
|
+ px + q) + |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
|||||||
|
x2+px+q dx = 2 |
|
x2+px+q dx + |
C |
2 |
|
(x+ p )2+q |
|
= 2 ln(x |
|||||||||||||||||
|
Bp |
1 |
|
|
|
|
|
x+ p2 |
~ |
|
|
|
|
2 |
4 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.6 мы проделали эти выкладки для |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
C 2 |
p2 |
|
arctgqq |
p2 |
+ C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
частного случая).
Замечание. Рекомендуется проделывать соответствующие выкладки в каждой задаче, а не запоминать последнюю формулу.
Алгоритм нахождения интеграла от четвертой элементарной дроби можно найти, например, в [2], 9.6.
Опишем основные методы нахождения интеграла от рациональной функции. 1. Метод неопределенных коэффициентов.
Алгоритм нахождения интеграла следующий:
1)если степень числителя не ниже степени знаманателя, то представляем
ååв виде суммы многочлена и правильной рациональной функции;
2)раскладываем знаменатель в произведение неприводимых многочленов;
3)представляем правильную рациональную функцию в виде суммы элементарных дробей с неопределенными коэффициентами;
4)находим интеграл от каждой элементарной дроби (и многочлена), складываем найденные интегралы.
Замечание. Количество неопределенных коэффициентов равно степени мно-
гочлена знаменателя. Это служит приемом проверки правильности представления.
Замечание. В случае кратных множителей (особенно квадратичных) удобнее использовать метод Остроградского, который будет описан позже.
Замечание. Подчеркнем, что значение интеграла от рациональной функ-
ции содержит только рациональные функции и арктангенсы .
Задача 2.1. Найти интеграл R x2 5x+9 dx.
x2 5x+6
Решение.
Так как степень числителя равна степени знаменателя, выносим единицу (что эквивалентно делению числителя на знаменатель):
2 |
5x+9 |
|
|
|
3 |
|
3 |
|
x2 |
= 1 + |
|
|
= 1 + |
|
|||
2 |
5x+6 |
(x 2)(x 3) . |
||||||
x |
5x+6 |
|
x |
|
Представляем второе слагаемое в виде суммы элементарных дробей:
|
3 |
|
= |
|
A |
|
+ |
B |
= |
A(x 3)+B(x 2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
(x 2)(x 3) |
|
x 2 |
x 3 |
|
|
(x 2)(x 3) . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Таким образом, 3 = A(x |
|
3) + B(x |
|
|
|
|
2) = x(A + B) 3A |
2B. |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
левой части, получаем |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 в правой и |
|
||||||||
Приравнивая коэффициенты при x |
|
|
è x |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
систему: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 = A + B; |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x0 : |
3 = 3A 2B; |
|
|
||||||||||
решая которую находим A = 3, B = 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Таким образом, |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
x2 5x+9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
x2 5x+6 dx = dx |
3 |
|
x 2 |
dx + 3 |
|
|
x 3 |
dx = x 3 ln jx 2j+ 3 ln jx 3j+ C = |
|||||||||||||||
x +R3 ln |
xx 23 |
+ C.R |
|
|
R |
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
14 |
|
|
|
|
|||||
Задача |
2.2. |
Найти интеграл |
x3 |
5x2 |
|
4x+4 |
dx. |
|
|
|||||||||||||||
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как рациональная функция является правильной, то ее можно представить в виде суммы элементарных дробей. Для этого вначале надо разложить
9
знаменатель на множители, для чего находим корень знаменателя. Так x = 1 является корнем знаменателя, то по теореме Безу знаменатель делится на x 1. Разделив знаменатель на x 1, получаем:
x3 x2 4x + 4 = (x 1)(x2 4) = (x 1)(x 2)(x + 2). Таким образом,
|
5x |
|
14 |
|
A |
|
|
B |
|
|
C |
|
A(x 2)(x+2)+B(x 1)(x+2)+C(x 1)(x 2) |
|
||
3 |
2 |
|
= |
|
+ |
|
|
+ |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
x 1 |
x 2 |
x+2 |
3 |
2 |
4x+4 |
, òî åñòü |
|||||||||
x |
x |
4x+4 |
|
|
|
|
x |
x |
5x 14 = A(x 2)(x + 2) + B(x 1)(x + 2) + C(x 1)(x 2):
Подставляя в последнее равенство x = 1, получаем, что A = 3, подставляя x = 2, получаем, что B = 1, подставляя x = 2, получаем, что C = 2 (вме-
сто этого можно было раскрыть скобки и решить систему из трех уравнений с тремя неизвестными). Теперь найдем исходный интеграл:
R |
5x 14 |
|
dx = 3 R |
dx |
|
||
x3 x2 4x+4 |
|
|
|
||||
x 1 |
|||||||
|
|
(x 1)3 |
|
|
|
|
|
2j + C = ln |
(x 2)(x+2)2 |
+ C: |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
dx |
2 R |
dx |
= 3 ln jx 1j ln jx 2j 2 ln jx + |
x 2 |
x+2 |
Замечание. Отметим, что есть два основных способа нахождения неопределенных коэффициентов:
1)решение системы, получаемой приравниванием коэффициентов при соответствующих степенях (используется равенство коэффициентов при всех степенях у равных многочленов);
2)подстановка корней знаменателя в числитель (используется равенство
значений при всех x у равных многочленов) .
В некоторых задачах удобно использовать оба метода. |
||||
|
Найти интеграл R |
3x2+3x 2 |
|
|
Решение. |
(x+1)(x2+2x+2) |
dx |
. |
|
Задача 2.3. |
|
|
|
Подынтегральную функцию представляем в виде суммы элементарных дро-
áåé: |
|
2 |
|
|
A |
|
Bx+C |
|
A(x2+2x+2)+(Bx+C)(x+1) |
|
|
|
|||||
3x2+3x |
|
= |
|
+ |
= |
: |
|
|
|||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
x+1 |
2 |
+2x+2 |
|
|
|
2 |
+2x+2) |
|
|
|||||||
(x+1)(x +2x+2) |
|
|
x |
|
|
|
(x+1)(x |
|
|
|
|||||||
Таким образом, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3x2 + 3x 2 = A(x2 + 2x + 2) + (Bx + C)(x + 1): |
|
A = 2 |
|
||||||||||||||
Подставив в последнее |
|
2 |
|
|
x = 1 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
равенство |
|
, получаем, что |
|
; приравни- |
вая в нем коэффициенты при x , получаем, что 3 = A + B, откуда B = 5, а при
x0 |
(это эквивалентно подстановке нуля), получаем, что 2 = 2A + C, откуда |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
C = 2. Теперь найдем исходный интеграл: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
3x2+3x 2 |
|
dx = 2 |
|
|
|
dx |
|
+2 |
|
|
5x+2 |
|
dx = 2 ln jx + 1j + |
5 |
|
|
2x+2 |
dx |
|
||||||||||||||
|
|
|
(x+1)(x2+2x+2) |
|
x+1 |
|
|
|
x2+2x+2 |
2 |
|
x2+2x+2 |
||||||||||||||||||||||||
3 |
|
dx |
= 2 ln x + 1 + |
5 |
|
d(x |
|
+2x+2) |
|
|
3 |
|
|
|
d(x+1) |
= 2 ln x + 1 + 5 |
ln x2 |
+ |
||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
+2x+2 |
|
|
|
(x+1) |
2 |
+1 |
||||||||||||||||||||||
|
Rx +2x+2 |
|
|
j |
j |
R |
2 |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
R j |
2 |
|
j |
|
||||||||||||
2xR+ 2j 3 arctg(x + 1) + C. |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Задача 2.4. |
Найти интеграл R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
(x+1)(x3+1) dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Раскладываем на множители знаменатель подынтегральной функции:
(x + 1)(x3 + 1) = (x + 1)2(x x + 1). Таким образом,
x2 |
|
|
|
A |
B |
|
Cx + D |
||||
|
|
|
= |
|
+ |
|
+ |
|
|
|
; |
(x + 1)(x |
3 |
|
|
2 |
x |
2 |
|
||||
|
+ 1) |
x + 1 |
(x + 1) |
|
|
x + 1 |
откуда получаем, что
10