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

Golovko

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
406.43 Кб
Скачать

Методическое 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

 

 

Â

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Â

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

можно представить в виде:

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

 

 

 

 

 

 

 

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

qq

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]