
Semestr1-hyper1
.pdf
5. |
Z |
|
x2 + px + q = J. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Рассмотрим два случая: |
|
= p2 − 4q < 0 и |
|
=pp2 − 4q > 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Случай |
|
|
|
|
|
< 0. В этом случае заменой x + |
|
|
= t интеграл преобразуется к виду |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
J = Z |
x2 + px + q = Z |
|
(x + p/2)2 |
|
+ ( |
21 √−Δ)2 |
= Z |
|
|
t2 + a2 , где a = |
2 |
|
|
|
|
− . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d(x + p/2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
√ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
При вычислении интеграла J1 = Z |
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
делаем замену |
|
= u: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
t2 + a2 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J1 = a Z |
|
(t2/a2) + 1 |
= a Z |
|
u2 |
+ 1 |
= a arctg u + C = a arctg a + C. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d(t/a) |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
du |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
В результате J = |
|
|
2 |
|
|
|
arctg |
2x + p |
+ C. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Случай |
|
|
|
|
|
> 0. В этом случае уравнение x2 + px + q = 0 имеет два вещественных |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
корня α1 6= α2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x − α1)(x − α2) = α1 |
− α2 |
Z ( x − α1 − x − α2 )dx = |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
J = Z |
|
x2 + px + q = Z |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= α1 |
1 |
|
α2 Z |
|
|
x |
|
−α11 |
|
− |
α1 |
1 |
α2 |
Z |
|
|
|
x |
|
−α22 |
= α1 |
1 |
|
α2 |
|
ln x |
− |
α2 + C. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d(x |
|
α ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d(x |
|
α ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
α1 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|||||||||||||
|
В частности, если α2 = |
α1, мы получаем формулу |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
|
x2 dxa2 = −21a ln x a + C. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x + a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
αx + β |
|
|
|
|
α |
|
|
|
2x + p |
|
|
|
|
|
|
|
|
α 2β |
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
α |
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6. |
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx = |
|
|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
dx + |
|
|
( |
|
|
−p) Z |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
ln |x |
|
+ px + q|+ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x2 + px + q |
|
2 |
|
x2 + px + q |
2 |
α |
x2 + px + q |
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
(β − |
2 ) Z |
|
|
x2 + px + q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
αp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
(в 1-м интеграле сделана замена x2 + px + q = t, а интеграл Z |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
решается |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x2 + px + q |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
как в примере 5). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
7. Jm = Z |
(x2 + a2)m . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Вначале проводим следующие тождественные преобразования: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Jm = Z |
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
1 |
Jm−1 − Z |
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
dx = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
(x2 + a2)m |
|
|
|
a2 |
|
(x2 + a2)m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Z |
|
xd(x2 + a2) |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
Jm−1 − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
Jm−1 + |
|
|
|
|
|
xd( |
|
). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a2 |
|
2a2 |
|
|
(x2 + a2)m |
a2 |
2a2(m − 1) |
|
(x2 + a2)m−1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
После этого используем формулу интегрирования по частям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jm = |
1 |
|
|
Jm−1 + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
1 |
|
|
|
|
|
Jm−1. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a2 |
2a2(m − 1)(x2 + a2)m−1 |
2a2(m − 1) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Полученная формула сводит вычисление интеграла Jm к вычислению интеграла Jm−1. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
При этом J1 = |
1 |
arctg |
x |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
8. |
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
(x2 + px + q)m , m > 1, = p2 − 4q < 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Данный интеграл с помощью замены t = x + |
|
сводится к интегралу из примера 7. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
9. |
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
J = Z |
(x2 + px + q)m dx, где |
m > 1, |
|
|
= p2 − 4q < 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
αx + β |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
J = 2 |
Z |
|
(x2 + px + q)m dx + (β − |
|
2 |
) Z |
|
|
|
(x2 |
+ px + q)m . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
α |
|
|
|
|
|
|
|
2x + p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
αp |
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
Второй интеграл в правой части считается как в примере 8. При вычислении первого |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
интеграла делаем замену t = x2 + px + q: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
Z (x2 |
+ px + q)m dx = 2 |
Z |
tm . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
α |
|
|
2x + p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α |
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
61

10. J1 = Z |
√x2 − a2 , J2 = Z |
√x2 + a2 . |
||
|
|
dx |
|
dx |
Применим замену с использованием гиперболических функций:
√
1. Вычисление J1. Делаем замену x = a ch t, x > 0, t > 0. Так как dx = a sh tdt, x2 − a2 =
a sh t, то |
|
J1 = Z |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
= Z dt = t + C. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
x2 − a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Остается найти t как функцию x из следующих уравнений: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
x |
= ch t |
= |
et + e |
− |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
a |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
e− |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 = sh t = |
|
|
|
− |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
ra2 − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
x2 |
|||||||||||
Сложив данные уравнения, получим |
|
+r |
|
|
|
− 1 = et, откуда t = ln |
|
|
+ r |
|
− 1! . |
|||||||||||||||||||||||||||||||
a |
a2 |
a |
a2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Таким образом, J1 = Z |
√ |
|
= ln |
|
|
+r |
|
− 1! +C= ln(x + px2 − a2) + C1. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
a |
a2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x2 − a2 |
√
2. Вычисление J2. Делаем замену x = a sh t, x > 0, t > 0. Так как dx = a ch t dt, x2 + a2 =
a ch t, то |
|
|
J2 = Z |
dx |
= Z dt = t + C = ln(x + px2 + a2) + C1. |
√x2 + a2 |
6.3Отыскание первообразных для рациональных функций
Рассмотрим числовую функцию вида f(x) = P (x), где P (x), Q(x) – действи-
Q(x)
тельные многочлены: P (x) = amxm + am−1xm−1 + · · · + a0 и Q(x) = bnxn + bn−1xn−1 + · · · + b0 с действительными коэффициентами ai, bk. Будем называть f(x) правильной рациональной дробью, если m < n. Далее считаем, что am = 1, bn = 1.
Известно, что любой действительный многочлен можно разложить на простые множители:
Q(x) = (x − a)α . . . (x − b)β(x2 + px + q)δ . . . (x2 + rx + s)γ,
где трехчлены x2 + px + q, . . . , x2 + rx + s не имеют действительных корней, т. е. p2 − 4q < 0, . . . , r2 − 4s < 0, а все числа α, . . . , β, δ, . . . , γ – натуральные. Заметим, что α + · · · + β + 2(δ + · · · + γ) = n – степени многочлена Q(x).
Теорема 6.2. При сделанных предположениях для функции f(x) = P (x)/Q(x) справедливо единственное представление вида
|
P (x) |
A1 |
|
Aα |
|
|
B1 |
|
|
Bβ |
|
|||||||
|
|
= |
|
|
|
+ · · · + |
|
+ · · · + |
|
|
+ · · · + |
|
|
+ |
||||
|
Q(x) |
(x − a)α |
x − a |
(x − b)β |
x − b |
|||||||||||||
|
C1x+D1 |
|
|
Cδx+Dδ |
|
|
|
E1x+F1 |
|
Eγx+Fγ |
(6.1) |
|||||||
+ |
|
+ |
|
+ · · · + |
|
|
+ · · · + |
|
, |
|||||||||
(x2+px+q)δ |
x2+px+q |
(x2+rx+s)γ |
x2+rx+s |
|||||||||||||||
где A1, . . . , Aα, . . . , B1, . . . , Bβ, C1, D1, . . . , Cδ, Dδ, . . . , E1, F1, . . . , Eγ, Fγ R. |
||||||||||||||||||
Доказательство теоремы начнем с леммы. |
|
|
|
|
|
Лемма 6.1. Пусть U(x) и V (x) – многочлены, однозначно определяемые ра-
Q x |
|
x |
− |
a |
αU x), Q(x) = (x2 + px + q)γV (x) |
( |
U(a) = 0 |
и |
|||||||||
венствами ( |
) = ( |
|
) |
|
( |
2 |
+ px + q). |
|
6 |
|
|||||||
многочлен V (x) не делится на x |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Тогда имеют место представления: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
P (x) |
= |
|
A1 |
+ |
R(x) |
, |
|
|
(6.2) |
||||||
|
|
|
(x − a)α |
(x − a)α−1U(x) |
|
|
|||||||||||
|
|
Q(x) |
|
|
|
|
|
|
|
62

|
|
P (x) |
= |
C1x + D1 |
+ |
T (x) |
|
, |
(6.3) |
|||
|
Q(x) |
(x2 + px + q)γ |
|
|
|
|||||||
|
|
|
(x2 + px + q)γ−1V (x) |
|
||||||||
где S1(x) = |
|
R(x) |
|
, S2(x) = |
|
|
T (x) |
– правильные дроби. |
||||
|
|
|
||||||||||
(x − a)α−1U(x) |
(x2 + px + q)γ−1V (x) |
Доказательство. Для доказательства (6.2) достаточно подобрать число A1 и многочлен R(x) так, чтобы выполнялось тождество
P (x) − A1U(x) = (x − a)R(x) |
(6.4) |
(в этом легко убедиться, приводя (6.2) к общему знаменателю). Определим A1 так, чтобы левая часть (6.4) делилась на (x − a). Для этого достаточно, чтобы ее значение при x = a было нулем.
Таким образом, A1 = UP ((aa)) . При указанном выборе A1 многочлен R(x) определяется просто как частное:
1
R(x) = x − a (P (x) − A1U(x)).
При этом R(x) будет многочленом, так как a – корень многочлена P (x) − A1U(x). Степень многочлена R(x) на единицу меньше степени многочлена P (x), так что S1 – правильная рациональная дробь.
Для доказательства (6.3) достаточно числа C1 и D1 и многочлен T (x) подобрать так, чтобы
имело место тождество |
|
P (x) − (C1x + D1)V (x) = (x2 + px + q)T (x) |
(6.5) |
(проверяется это приведением (6.3) к общему знаменателю). Определим числа C1 и D1 так, чтобы на этот раз делилась на x2 + px + q левая часть равенства (6.5). Пусть остатками от деления P (x) и V (x) на этот трехчлен будут, соответственно, a1x+b1 и cx+d. Тогда вопрос сведется к тому, чтобы на
2 |
px + q |
делилось выражение |
ax + b |
|
− |
(C x + D )(cx + d) |
= |
|||
x + |
|
|||||||||
2 |
|
|
1 |
1 |
2 |
1 |
|
|||
= −cC1x |
+ (a1 − dC1 − cD1)x + (b1 − dD1). Выполнив деление на x |
|
+ px + q, мы получим в |
остатке [(pc −d)C1 −cD1 + a1]x + [qcC1 −dD1 + b1]. C1 и D1 нужно подобрать так, чтобы коэффициенты, стоящие в квадратных скобках, равнялись нулю. Поэтому для определения C1 и D1 имеем систему из двух линейных уравнений:
|
|
|
|
(pc − d)C1 − cD1 + a1 |
= 0, |
|
|
|
(6.6) |
|||||||
|
|
|
|
(qcC1 |
− |
dD1 + b1 = 0. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определитель данной системы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
2 |
|
d |
|
|
|||
pc − d, |
−c |
= d2 |
|
pcd + qc2 = |
c2 " − |
|
|
|
|
+ p − |
|
|
+ q# |
при c 6= 0 |
||
|
c |
|
c |
|||||||||||||
qc, |
d |
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
при c = 0. |
|||||
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
d2 |
|
Он отличен от нуля. Действительно, при c 6= 0 выражение в квадратных скобках есть значение трехчлена x2 + px + q в точке x = −dc и не может быть нулем, ибо трехчлен этот не имеет веще-
ственных корней. При c = 0 определитель сводится к d2, а в этом случае d 6= 0, так как многочлен V (x) на x2 + px + q не делится.
Многочлен T (x), после нахождения чисел C1 и D1, определяется как частное:
1
T (x) = x2 + px + q [P (x) − (C1x + D1)V (x)],
причем T (x) будет действительно многочленом, так как числа C1 и D1 подбираются так, что P (x)− (C1x + D1)V (x) делится на x2 + px + q. Степень многочлена T (x) на две единицы меньше степени многочлена P (x), поэтому S2(x) будет правильной рациональной дробью.
Доказательство теоремы сводится к многократному применению формул (6.2) и (6.3), которые позволяют последовательным понижением степени многочлена Q(x) получить (6.2).
Если множитель (x−a) входит в Q(x) в первой степени, то в силу (6.2) ставим ему в соответствие
единственную простую дробь вида |
|
|
A1 |
|
|
. Если же показатель степени (x − a) есть α > 1, то, |
|||||||||||
x |
− |
a |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
A1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
выделив на основании (6.2) простую дробь |
|
|
|
, мы к оставшейся дроби снова применим (6.2) |
|||||||||||||
(x − a)α |
|||||||||||||||||
и выделим, таким образом, простую дробь |
|
A2 |
|
. Описанный процесс продолжается до тех |
|||||||||||||
|
(x − a)α−1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α |
, α > 1, будет отвечать |
||||
пор, пока (x − a) не исчезнет из разложения. В итоге множителю (x − a) |
|
||||||||||||||||
группа из α простых дробей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Aα |
+ |
|
|
Aα−1 |
|
+ . . . + |
A1 |
. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
(x − a)α |
|
|
||||||||
|
x − a (x − a)2 |
|
|
|
|
|
|
63

Единственность представления (6.2) следует из того, что величины A1, . . . , Bβ определяют-
ся однозначно: A1 |
= x→a |
− |
|
Q(x) |
2 |
x→a |
− |
Q(x) − |
(x − a)α |
и т. д. Величины |
|||
|
lim (x |
|
a)α |
P (x) |
|
, A |
= lim (x |
|
a)α−1 |
P (x) |
|
A1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
C1, . . . , Fδ также определяются однозначно. Например, величины C1, D1 находятся как решение
системы уравнений (6.6), которая имеет единственное решение, так как ее определитель отличен
от нуля.
Замечание 6.1. Если в рациональной дроби P (x) порядок многочлена P (x)
Q(x)
выше, чем порядок многочлена Q(x), то она приводится к виду P0(x)+ P1(x),
Q(x)
где P0(x) – многочлен, а P1(x) – правильная рациональная дробь.
Рациональной функцией от x называется функция, которая получается в результате применения к x конечного числа арифметических операций: умножение, вычитание, сложение, деление. Любая рациональная функция от x имеет вид многочлена от x или легко приводится к виду P (x)/Q(x), где P (x), Q(x)
– некоторые многочлены. Таким образом, нам теперь известно, как вычисляются интегралы от рациональных функций.
6.4Интегрирование некоторых иррациональных и трансцендентных функций
Общим подходом к интегрированию иррациональных и трансцендентных функций является их преобразование к рациональным функциям с использованием замены переменных (подстановок). Такой подход будем называть "рационализацией" подынтегральной функции. Универсальный способ вычисления интеграла от рациональной функции изложен в предыдущем разделе параграфа. Все приведенные ниже методы интегрирования – это методы рационализации подынтегральной функции.
1. Интегрирование алгебраических иррациональностей.
Рациональная функция от x, u, v, . . . , w получается в результате применения к x, u, v, . . . , w арифметических операций (сложения, вычитания, умножения и деления), взятых в конечном числе. Пусть R(x, u, v, . . . , w) – обозначение рациональной функции от x, u, v, . . . , w. Рассмотрим интеграл
!
|
|
ax + b |
|
λ |
|
ax + b |
µ |
|
|
|
|
|
|
||||
Z |
R(x, |
|
|
|
|
, . . . , |
|
|
|
dx, |
|
|
(6.7) |
||||
cx + d |
|
cx + d |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
q |
|
где λ, . . . , µ Q и имеют наименьший общий знаменатель m : λ = |
|
, . . . , µ= |
|
. |
|||||||||||||
m |
m |
||||||||||||||||
В интеграле (6.7) сделаем подстановку |
tm = ax + b |
x = dtm − b |
= ϕ(t) |
– ра- |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
cx + d |
a − tmc |
|
|
циональная функция от t. Производная ϕ0(t) – также рациональная функция
64

от t. Интеграл (6.7) сводится к интегралу:
Z Z
R(ϕ(t), tp, . . . , tq)ϕ0(t)dt = R1(t)dt,
где R1(t) – рациональная функция от t (p, . . . , q – целые числа).
2. Подстановки Эйлера.
Интеграл вида |
|
|
Z |
R(x, √cx2 + bx + a)dx, c 6= 0, b2 − 4ac 6= 0, |
(6.8) |
можно свести к интегралам от рациональных функций с помощью подстановок Эйлера.
1-ая подстановка может быть использована в случае c > 0. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
cx |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
cx |
|
+ bx + a = t − cx |
(или |
|
+ bx + a = t + |
cx). |
|
|
|
√ |
|
|
||||||||||||||||
После возведения в квадрат этого равенства, получим bx + a = t |
2 |
− |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 ctx. |
||||||||||||||||||||||||||||
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t2 − a |
|
|
(t), √ |
|
|
|
|
√ |
|
|
(t), dx = ϕ0 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
cx2 + bx + a |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
x = |
|
= ϕ |
= t |
|
|
cx = ϕ |
(t)dx |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
2√ct + b |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||
где ϕ1(t), ϕ2(t), ϕ10 (t) – рациональные функции от t. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Таким образом, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Z |
R(x, √ |
|
)dx = Z |
R(ϕ1(t), ϕ2(t))ϕ10 (t)dt = Z |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
cx2 + bx + a |
R2(t)dt, |
|
|
|
где R2(t) – рациональная функция от t.
2-ая подстановка может быть использована в случае a > 0.
√ |
|
|
|
√ |
|
|
√ |
|
|
|
√ |
|
|
|
2 |
+ bx + a = xt + |
2 |
+ bx + a = xt − |
|||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
cx |
a (или |
|
cx |
a). |
Возведя обе части равенства в квадрат и сокращая на x, получим cx + b =
√
xt2 + 2 at. Отсюда следует:
x = 2√at − b = ϕ3(t), √cx2 + bx + a = xt + √a = ϕ4(t), dx = ϕ03(t)dt, c − t2
где ϕ3(t), ϕ4(t), ϕ03(t) – рациональные функции от t. После подстановки полученных выражений в интеграл (6.8) мы получим интеграл от рациональной функции.
3-ая подстановка может быть использована в случае b2 − 4ac > 0.
√
cx2 + bx + a = t(x − λ),
λ - один из из двух действительных корней трехчлена cx2 + bx + a.
Возведя в квадрат и сокращая на x − λ, получим уравнение первой степени относительно x: c(x − µ) = t2(x − λ). Отсюда следует:
|
−cµ + λt2 |
|
√ |
|
= |
c(λ − µ)t |
= ϕ6 |
(t), dx = ϕ0 |
|
x = |
= ϕ5(t), |
cx2 + bx + a |
(t)dt, |
||||||
|
t2 − c |
|
|
|
|
t2 − c |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ϕ5(t), ϕ6(t), ϕ05(t) – рациональные функции от t.
После подстановки полученных выражений в интеграл (6.8) мы получим интеграл от рациональной функции.
65

Замечание 6.2. 1-ой и 3-ей подстановок Эйлера достаточно для того, чтобы осуществить рационализацию подынтегральной функции в (6.8) во всех возможных случаях.
Доказательство. Если cx2 + bx + a имеет действительные корни, то можно использовать 3-ю подстановку. Если действительных корней нет, т. е. b2 − 4ac < 0, то трехчлен
|
2 |
|
1 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
cx |
|
+ bx + a = |
|
[(2cx + b) |
|
+ (4ac − b |
)] |
|
|
|
|
|
4c |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cx |
2 |
+ bx + a вовсе не |
||
при любых x имеет знак c. Случай c < 0 нас не интересует, так как тогда |
|
имел бы действительных значений. В случае же c > 0 применима 1-ая подстановка.
Замечание 6.3. Случаи 1-ой и 2-ой подстановок (c > 0, a > 0) приводятся один к другому заменой x = z1. Поэтому всегда можно избегать применения 2-ой подстановки.
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
1 |
|
|
c + bz + az2 |
||||||||||
Доказательство. Пусть c > 0. Тогда cx |
+ bx + a = c( |
|
) |
|
+ b · |
|
|
+ a = |
|
|
|
. Отсюда |
||||||||||||||||||
z |
|
z |
|
|
z2 |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
√ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||
Z R(x, pcx2 + bx + a)dx = Z R z |
|
|
z2 |
|
|
|
· −z12 dz = |
|
||||||||||||||||||||||
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
c + bz + az |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= Z R3(z, p |
|
|
|
)dz. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
c + bz + az2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Так как c > 0, то мы попали в случай применения 2-ой подстановки. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
3. Биномиальные дифференциалы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Рассмотрим интеграл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
xm(a + bxn)pdx, |
|
|
|
|
|
|
|
(6.9) |
||||||||||||
где a, b R(a, b 6= 0), |
m, n, p Q. Подынтегральное выражение xm(a + bxn)p |
|||||||||||||||||||||||||||||
называется биномиальным дифференциалом. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Сделаем замену xn = t. Тогда x = t1/n, |
dx = |
|
1 |
tn1 −1dt, поэтому интеграл |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
(6.9) приводится к виду |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
n Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
n |
Z |
t n (a + bt)pt(n )−1dt = |
t( n |
+ n −1)(a + bt)pdt. |
|
||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
m |
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
m |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Если положить |
|
m + 1 |
− 1 = q, то (6.9) сводится к интегралу вида |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
n |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
tq(a + bt)pdt. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(6.10) |
Лемма 6.2. Интеграл (6.10) всегда берется в элементарных функциях, если одно из чисел p, q или p + q – целое.
Доказательство. 1. p – целое число. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Z |
tq(a + bt)pdt = Z |
R(t, tq)dt, |
|
|
|
|
|
(6.11) |
|||||
где R(t, tq) – некоторая рациональная функция от t и tq. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
2. q – целое число. Тогда |
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tq(a + bt)pdt = |
R(t, (a + bt)p)dt, |
|
|
|
|
|
(6.12) |
||||||
где R(t, (a + bt)p) – некоторая рациональная функция от t и (a + bt)p. |
|
|
|
|
|||||||||||
3. p + q – целое число. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
a + bt |
|
p |
|
|
a |
+ bt |
p |
|
|||
|
|
Z tq(a + bt)pdt = Z tp+q |
|
|
|
dt = Z R(t, |
|
|
|
|
)dt, |
(6.13) |
|||
|
|
t |
|
|
t |
|
|||||||||
|
a + bt |
p |
|
|
|
|
|
+ bt |
p |
|
|
||||
где R(t, |
|
) – некоторая рациональная функция от t и |
a |
|
|
. |
|
|
|||||||
t |
t |
|
|
|
66

Все интегралы (6.11) – (6.13) имеют вид интегралов (6.7), каждый из которых приводится к интегралу от рациональной функции с помощью соответствующих подстановок. Допустим m =
λ |
, n = |
µ |
, p = |
i |
, где λ, µ, N, i, j – целые числа. Тогда q = |
m − n + 1 |
= |
λ − µ + N |
. |
N |
N |
|
|||||||
|
j |
|
n |
|
µ |
|
Инетеграл (6.11): применяем подстановку
Инетеграл (6.12): применяем подстановку
Инетеграл (6.13): применяем подстановку
uµ = t.
ui = a + bt. (6.14)
ui = a + bt . t
Замечание 6.4. Подстановку xn = t к интегралу (6.9) и соответствующие подстановки (6.14) можно объединить и получить подстановки, приводящие интеграл (6.9) сразу к интегралу от рациональной функции.
Доказательство. 1. p – целое. x = t1/n, uµ = t x = uµ/n = uN . Получим подстановку: x = uN ,
где N – наименьший общий знаменатель чисел m и n.
2. q – целое. x = t1/n, ui = a + bt ui = a + bxn, где i – знаменатель числа p. 3. p – целое. x = t1/n, ui = a+tbt ui = ax−n + b, где i – знаменатель числа p.
4. Интегрирование некоторых тригонометрических функций.
Рассмотрим интеграл
Z
R(sin x, cos x)dx, (6.15)
где R(u, v) – рациональная функция от u и v. Подынтегральная функция такого интеграла может быть рационализирована подстановкой: t = tg x2 , x
(−π, π). Действительно,
|
2 tg |
x |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
− tg2 |
x |
|
|
|
− t2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2t |
|
|
|
|
= |
1 |
|
|||||
sin x = |
2 |
|
|
|
= |
|
, cos x = |
2 |
, |
|||||||||
|
|
x |
|
2 |
|
|
x |
|
|
2 |
||||||||
|
|
2 |
|
1 + t |
|
|
|
2 |
1 |
|
||||||||
|
1 + tg |
|
|
|
|
|
|
1 |
+ tg |
|
+ t |
|
||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2dt
x = 2 arctg t dx = 1 + t2 . Таким образом,
R(sin x, cos x)dx = |
R |
|
2t |
, |
1 − t2 |
|
2 |
dt = |
Z |
R |
(t)dt, |
|
1 + t2 |
1 + t2 |
1 + t2 |
||||||||||
Z |
Z |
|
|
4 |
|
где R4(t) – рациональная функция от t.
Приведенная подстановка является универсальной, но она приводит иной раз к сложным выкладкам. Существуют случаи, когда цель может быть достигнута с помощью более простых подстановок.
Предварительно докажем следующую лемму:
Лемма 6.3. 1. Если R(−u, v) = R(u, v), то R(u, v) = R1(u2, v), где R1(u2, v)
–рациональная функция от u2 и v.
2.Если R(−u, v) = −R(u, v), то R(u, v) = R2(u2, v) · u, где R2 – рациональная функция от u2 и v.
Доказательство. Первое утверждение очевидно. Докажем второе. Рассмотрим функцию R3(u, v) =
R(u, v)
|
|
. Поскольку R(−u, v) = −R(u, v), то R3(−u, v) = R3(u, v) и в силу первого утверждения |
u |
||
R(u, v) |
= R2(u2, v), т.е. R(u, v) = R2(u2, v) · u. |
|
u |
|
Рассмотрим три частных случая.
1.R(−u, v) = −R(u, v).
В этом случае используем подстановку t = cos x:
R(sin x, cos x)dx = R2(sin2 x, cos x) · sin xdx = −
− R2(1 − cos2 x, cos x)d cos x = −R2(1 − t2, t)dt,
67

которая рационализирует подынтегральную функцию.
2.R(u, −v) = −R(u, v).
Используем подстановку t = sin x:
R(sin x, cos x)dx = R2(sin x, cos x) · cos xdx =
=R2(sin x, 1 − sin2 x)d sin x = R2(t, 1 − t2)dt.
3.R(−u, −v) = R(u, v). В этом случае рационализация достигается подстановкой t = tg x, x (−2π , π2 ).
Для доказательства проделаем преобразования R(u, v). Имеем:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R(u, v) = R( |
|
· v, v) = R ( |
|
, v), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R( |
− |
u, |
− |
v) = R ( |
−u |
, v) = R ( |
u |
, |
− |
v) = R ( |
u |
, v). |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
v |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−v |
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
В силу первого утверждения леммы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||||||
|
R ( |
|
, v) = R1 |
( |
|
, v2) R(sin x, cos x) = R1(tg x, cos2 x) = R1(tg x, |
|
|
|
), |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
v |
v |
1 + tg2 x |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
т. е. R(sin x, cos x) = R(tg x), где |
R – рациональная функция. В результате |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
|
˜ |
|
|
|
1 |
|
dt. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
R(sin x, cos x) = R(tg x)dx = R(t) |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
5. Интегрирование выражений sinν x cosµ x(ν, µ Q, x (0; |
|
)). |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Применим подстановку z = sin2 x. Тогда dz = 2 sin x cos xdx и sinν x cosµ xdx = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
ν |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
µ−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
µ−1 ν−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
sin |
− |
|
x ·(1 −sin |
|
x) |
2 2 sin x cos xdx = |
|
|
(1 −z) 2 |
|
z 2 dz. Таким образом, все |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
2 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
сводится к интегрированию биномиального дифференциала. |
µ − 1 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Нам известно, что интеграл |
|
|
zm(1 |
− |
z)pdz |
(здесь |
m = |
ν − 1, p = |
) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
||||||||||||||||||||||||||||
берется в элементарных |
функциях, если: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
1.) m = |
ν − 1 |
(или p = |
µ − 1 |
) есть целое число, т. е. если ν (или µ) есть |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нечетное целое число. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
2.) p + q = |
µ + ν − 2 |
(в настоящем случае q = m = |
ν − 1 |
) – целое число, т. е. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
µ + ν есть четное целое число. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание 6.5. Если ν и µ – целые числа, то выражение sinν x cosµ x рационально относительно sin x и cos x, т. е. принадлежит классу R(sin x, cos x), уже нами рассмотренному.
68