
- •8. Неопределённый интеграл
- •8.1. Основные свойства неопределённого интеграла
- •8.2. Таблица интегралов
- •8.3. Методы интегрирования
- •8.3.1. Метод непосредственного интегрирования
- •8.3.2. Метод интегрирования по частям
- •8.3.3. Метод замены переменной (метод подстановки)
- •8.4. Интегрирование некоторых классов функций
- •8.4.1. Интегрирование элементарных дробей
- •8.4.2. Интегрирование рациональных функций
- •8.4.3. Интегрирование некоторых видов иррациональностей
- •8.4.4. Интегрирование тригонометрических функций
- •8.5. Примеры вычисления неопределенных интегралов
8.3.3. Метод замены переменной (метод подстановки)
Метод замены переменной является одним из основных методов интегрирования. Он базируется на следующей теореме.
Теорема.
Если требуется найти интеграл
(но сложно отыскать первообразную), то
замена x
= (t)
и dx
= (t)dt
приводит к интегралу следующего вида:
.
Пример.
Вычислить интеграл Выполним
подстановку
Заданный интеграл преобразуется теперь к табличному
Возвращаясь
к первоначальной переменной
|
Замечание
(частный
случай). Пусть
,
тогда
.
Пример.
Вычислить интеграл
|
Замечание.
Если
подынтегральное выражение содержит
,
то удобно применить подстановку
или подстановку
.
Если
подынтегральное выражение содержит
,
то удобно применить подстановку
или подстановку
.
Если
подынтегральное выражение содержит
,
то удобно применить подстановку
или подстановку
.
Пример.
Вычислить интеграл
Так
как под интегралом есть радикал
Имеем:
|
8.4. Интегрирование некоторых классов функций
8.4.1. Интегрирование элементарных дробей
Определение. Элементарными называются дроби следующих четырех типов:
,
где m, n – натуральные числа (m 2, n 2) и b2 – 4ac <0.
Первые
два типа интегралов от элементарных
дробей приводятся к табличным подстановкой
вида
.
То есть:
Рассмотрим метод интегрирования элементарных дробей третьего вида.
Интеграл дроби третьего вида может быть представлен следующим образом:
Таким образом, интеграл третьего вида приводится к двум табличным интегралам.
Пример.
Вычислить
интеграл
|
Для вычисления интеграла четвертого вида сначала необходимо воспользоваться следующим преобразованием:
.
После этого необходимо воспользоваться следующей заменой переменных:
В
полученном равенстве первый интеграл
с помощью подстановки t
= u2
+ s
приводится к табличному
,
а ко второму интегралу применяется
рекуррентная формула:
Если
применить эту формулу n-1
раз, то получится табличный интеграл
.
Пример.
Вычислить
интеграл
|
8.4.2. Интегрирование рациональных функций
Для
того, чтобы проинтегрировать рациональную
дробь необходимо разложить ее на
элементарные дроби. Рассмотрим
рациональную функцию
,
где
— многочлен степени
,
— многочлен степени
.
Если
,
то есть дробь неправильная, то её можно
представить в виде
,
где
- правильная дробь. Взятие интеграла
от первого слагаемого не вызывает
сложностей. Второе слагаемое - правильная
дробь может быть разложена на элементарные
дроби указанных выше четырех видов. Для
разложения правильной дроби необходимо
воспользоваться следующей теоремой.
Теорема.
Если
-
правильная рациональная дробь, знаменатель
которой представлен в виде произведения
линейных и квадратичных множителей
(отметим, что любой многочлен с
действительными коэффициентами может
быть представлен в таком виде:
= (x
- a)…(x
- b)(x2
+ px
+ q)…(x2
+ rx
+ s)
), то эта
дробь может быть разложена на элементарные
по следующей схеме:
где Ai, Bi, Mi, Ni, Тi, Si – некоторые постоянные величины.
Для нахождения величин Ai, Bi, Mi, Ni, Тi, Si применяют так называемый метод неопределенных коэффициентов (суть которого состоит в том, что для того, чтобы два многочлена были тождественно равны, необходимо и достаточно, чтобы были равны коэффициенты при одинаковых степенях х).
Пример.
Вычислить
интеграл Так.как
знаменатель может быть разложен
следующим образом: (
Приводя правую часть соотношения к общему знаменателю и приравнивая числители правой и левой частей, получаем:
Группируя коэффициенты при одинаковых степенях х, получаем:
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х правой и левой частей соотношения,:имеем:
Таким образом, после использования теоремы исходный интеграл свелся к следующим трем интегралам, которые могут быть вычислены:
Пример.
Вычислить интеграл
Разложим подынтегральную дробь на простейшие.
Найдём
числа
Освобождаясь от знаменателей, получим:
Приравнивая
коэффициенты при одинаковых степенях
в обеих частях равенства, получим
систему уравнений для определения
коэффициентов
Таким образом, мы получили разложение рациональной дроби на простейшие
Интегрируя, получим:
|