1. Интеграл с переменным верхним пределом

Заметим, что в качестве переменной интегрирования можно выбрать любую букву:

Пусть функция интегрируема на отрезке Тогда для любого можно вычислить число Значит, для каждого определена функция Эту функцию называют интегралом с переменным верхним пределом.

Теорема 1. Если функция интегрируема на отрезке то интеграл непрерывен на этом отрезке. Если непрерывна на отрезке то

дифференцируема на указанном отрезке, причем

Доказательство первой части этого утверждения опускаем. Перейдем к обоснованию второй части. Пусть произвольная точка интервала Вычислим

Так как непрерывна на отрезке то применима теорема о среднем: существует точка такая, что

Тогда Устремляя здесь и учитывая, что при этом т.е. Равенство (1) показано в любой внутренней точке отрезка Можно показать, что оно верно и на концах этого отрезка. Теорема доказана.

Следствие 1. Любая непрерывная на отрезке функция имеет первообразную.

Действительно, в качестве одной из первообразных можно указать интеграл с переменным верхним пределом ( ).

2. Формула Ньютона-Лейбница

Докажем теперь одну из основных формул интегрального исчисления.

Теорема 2. Пусть функция непрерывна на отрезке и её первообразная на отрезке Тогда

Доказательство. Так как первообразная функции на отрезке , то существует постоянная такая, что Положим в этом равенстве будем иметь Поэтому

Полагая здесь получаем формулу (2). Теорема доказана.

Например,

3. Замена переменных и интегрирование по частям в определенном интеграле

С помощью формулы Ньютона-Лейбница нетрудно доказать следующие утверждения.

Теорема 3 (см. Р7). Пусть функция непрерывна на отрезке а функция непрерывно-дифференцируема на отрезке таком, что причем Тогда имеет место формула замены переменных в определенном интеграле:

Теорема 4. Пусть функции непрерывно-дифференцируемы на отрезке Тогда имеет место формула интегрирования по частям в определенном интеграле:

4. Интегрирование дробно-рациональных функций

Дробно-рациональной функцией (или алгебраической дробью) называется функция, представимая в виде отношения двух многочленов:

При этом дробь называется правильной, если степень ее многочлена-числителя меньше степени её многочлена-знаменателя в противном случае (т.е. в случае ) дробь называется неправильной. Любую неправильную дробь можно представить в виде суммы многочлена (целой части) и правильной дроби. Для этого надо разделить числитель на знаменатель углом. Например,

Определение 1. Простейшими дробями типа называются следующие дроби:

где действительные постоянные, натуральные числа.

Теорема 5. Любую правильную дробь можно разложить в сумму простейших дробей типа Это разложение единственно (с точностью до порядка слагаемых).

Алгоритм разложения на простейшие дроби

Пусть требуется разложить на простейшие дроби правильную дробь

Выполним следующие действия:

1) разложим знаменатель на множители:

2) каждому “линейному” множителю поставим в соответствие сумму простейших дробей типа

а каждому “квадратичному” множителю поставим в соответствие дробей типа

Сделав это для каждого множителя знаменателя запишем тождество

3) Умножив обе части этого тождества на знаменатель получим тождество двух многочленов. Приравнивая в нем коэффициенты при одинаковых степенях получим линейную алгебраическую систему уравнений относительно неопределенных коэффициентов решая которую (например, методом Гаусса), найдем эти

коэффициенты. Подставляя их в (3), получим разложение дроби на простейшие дроби.

Например, разложим дробь на простейшие.

Так как то представляется в виде

где коэффициенты пока не найдены. Приводя правую часть к общему знаменателю, а затем отбрасывая в обеих частях одинаковые знаменатели, получим тождество

Можно было бы приравнять здесь коэффициенты при одинаковых степенях (начиная с ), а затем решить полученную систему уравнений относительно Но мы поступим проще. Применим так называемый метод частных значений.

Так как (5) – тождество, то оно верно при любых значениях Удобно выбрать значение При этом из (5) получаем равенство откуда выводим, что Далее подставляем в (4) и переносим все первые слагаемые влево; будем иметь

Разделив обе части этого тождества на получим

Полагая здесь снова будем иметь и последнее равенство перепишется в виде Отсюда сразу же находим Следовательно, все коэффициенты разложения (4) найдены и мы получаем

ответ:

Из теоремы 5 вытекает, что интегрирование правильных алгебраических дробей сводится к их разложению на простейшие дроби и последующему интегрированию последних. Займемся задачей интегрирования простейших дробей.

Дроби типа интегрируются очевидным образом:

Дробь типа интегрируется следующим образом:

Дробь типа интегрируется сложнее. Сначала производятся все операции, применяемые при интегрировании дроби типа а затем используется рекуррентная формула

Например,

В заключение предлагаем вычислить самостоятельно интеграл

и получить ответ: