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

Учебник по математике Ч2 / Сборник задач по математике для втузов. В 4-х ч. Ч.2_ (ред) Ефимов А.В, Поспелов А.С_2001 -432с

.pdf
Скачиваний:
3297
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
8.57 Mб
Скачать

§ 4. Определенный интеграл и методы его вычисления

151

X

 

 

Пример 4. I(x) = J е~* dt. Найти Г(х).

 

 

о

 

 

<3 Используя свойство 11) и учитывая, что <р(х)

= 0, т.е. ц)'(х)

= О,

имеем

 

 

Г(х) = е - {х2? - { х 2)'=2хе~х\

>

 

7.364. Определить знаки интегралов, не вычисляя их:

-2

 

-1

1/3

 

7.365. Не вычисляя интегралов, выяснить, какой из интегралов

больше:

 

 

 

 

2

2

2

 

2

Г

 

dxf dx

f dx

[ dx

а) I Ж Т Ш

или J

Г ’ б) у ^

у ^

1

1

1

1

1

 

1

 

в) ^ е~х cos2xdx или

J е~х'2cos2 xdx.

о

 

о

 

7.366. Найти среднее значение функции на данном отрезке:

а) ж3, 0 ^ а; ^ 1; в) cos ж, 0 ^ ж ^ —;

б) у/х, 0 ^ х ^ 1; г) cos3 ,т, 0 ^ х ^ —.

7.367. Сила переменного тока меняется по закону

Iг г

\

= I Qsin I — t + (pJ ,

где T — период. Найти среднее значение силы тока за полупериод.

 

I

 

 

7.368. Оценить интеграл

j

\/ъ + х3 dx.

 

 

-l

 

 

 

27Г

 

 

^

f

dx

 

7.369. Оценить интеграл

/

—= = = = = .

 

 

J

у/Ъ+ 2 sin.T

 

о

152 Гл. 7. Интегральное исчисление функций одной переменной

1

7.370. Оценить интеграл J \/{1 + х)(1 Н- ж3) dx, пользуясь:

о

а) обобщенной теоремой об оценке интеграла; б) неравенством Коши-Буняковского.

1

7.371. Оценить интеграл j л/(4+"x^)xdx, пользуясь:

о

а) обобщенной теоремой об оценке интеграла; б) неравенством Коши-Буняковского.

 

 

 

 

 

 

Р

 

 

 

d l

d l

 

 

Г ех

 

7.372. Найти: а) — , б) —

, если I

/

dx (0 < a < в).

 

dp

da

 

 

Q

J

x

 

 

 

 

 

 

 

 

7.373. Найти точки экстремума функции

 

 

 

х

COS t

 

 

 

 

 

 

^, .

f

,

(

Л

Л

 

7Г \

Ф(ж) =

/

--- dt

 

> 0,

0 < a <

— J .

 

a

 

 

 

 

 

 

 

Найти производные следующих функций:

 

7.374. Ф(®) = J

1

 

 

 

 

 

\fx

S- ~ d t .

7.375. Ф(х) =

J

sin (t2) dt.

0

 

 

 

 

 

 

 

l/x

 

0

 

7.376. Ф(ж) = J

 

 

х

3

 

 

»

тг

I

7.378. Доказать, что

J/

х3

7.377. Ф(Ж) = J^ - t (х > 0).

X2

х2sin ж ,

---- г dx = 0.

1+х4

4. Замена переменной в определенном интеграле. Если функция f(

непрерывна на отрезке [а, 6], а функция х = <p(t) непрерывно дифферен­ цируема на отрезке [t1, £2], причем а = y>(£i), Ь — tpfa), то

ьt2

j f (х) dx = J

dt.

§ 4. Определенный интеграл и методы его вычисления______153 1

 

Пример

5. Вычислить

 

\/1 —X2

 

 

 

 

 

 

 

 

/

1 5

--------- d

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\ / 2/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<3 Применим подстановку ж = sin£.

Тогда dx

cos t dt,

t =

arcsin ж,

^ = arcsin

z

= — и t,2

= arcsin 1 = —. Следовательно,

 

 

^

 

^

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

7г / 2

 

у--------------------------

 

 

7T / 2

 

 

 

 

f

y/l —X2

f

V 1 —sin2 t

 

 

/

f

 

COS2 £

 

 

/

----— dx = I

---- ---- cos t dt =

 

dt =

 

 

J

x2

 

J

 

sin

£

 

 

J

 

 

sin

£

 

 

v/2/2

 

 

TT/4

 

 

 

 

 

TT/4

 

 

 

 

 

 

 

tt/2

 

 

 

 

, . 7Г/2

 

 

 

 

 

1 —Sin

t

,

,

 

 

 

 

 

/" i ? T

= (—ctgi —t)|n/1= _ 2 +1 + 4 = 1 _ i- *

 

 

7T / 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.379.Можно ли интеграл /

x у г — ж2 dx вычислить с помо-

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

щью подстановки х =

sin t?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить интегралы с помощью указанных подстановок:

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/1

dx

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

7.380.

---- - = = = ,

Зж — 2 = t .

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + \/Зж — 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln 3

v/e* + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sh 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\/Ж'2+ 1 dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

07г / 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г.383. J

dx

 

 

ж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 + 2 cos ж’

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Г/

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,384. /

1 + 2 sin2 ж’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.385. у* у/з — 2х — х2 dx,

ж -b 1 =

2sin£.

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

154 Гл. 7. Интегральное исчисление функций одной переменной

Вычислить интегралы с помощью замены переменной:

 

2

 

 

 

 

О

 

 

 

Г-386-

I

 

,<1Х____

7.387.

[

——

dx ._________

 

J

 

x\Jх2 — 1

./

у/х + 3 + у/(х\]х++3З)3Ч

 

 

 

 

 

 

 

- 2

 

 

 

,388.

Г

 

 

 

,389.

/

,

 

.

 

J

 

X

 

 

J

^(1 + Ж2)3

 

2

 

 

 

 

'/з/з

 

 

 

2

 

 

 

 

 

5

 

 

7.390).

f

(

d:-' 2 2.

 

7.391.

[

 

dx

 

 

 

 

 

 

J

(4 + ж2)2

 

 

J

x + \J2x — 1

 

-2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

7.392.

[

 

7.393.

[

ж dx

 

 

 

 

 

 

J

x V l + 4x2

 

 

J

\/5 — 4.T

 

 

1/4

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

InG ^ /_______

 

 

3

 

 

 

Г.394.

[

6

~ 2 dg.

7.395.

[ x2V d - x 2dx.

 

J

 

 

 

e* + 2J

 

 

 

ln2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

/

 

2

 

 

 

 

 

 

dx

f ex

 

 

 

 

 

--- =

dx.

 

 

 

 

 

i n x J

X

 

 

 

 

 

 

e

1

 

 

 

7.397. Показать, что

[

 

 

 

dx.

 

 

 

 

J

arcsin ж

J

x

 

 

 

 

 

l/y/2

 

тг/4

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

3®"^ ~ 2®^ -j~

— ж

 

 

 

 

 

----:-- — ^

= 0.

 

 

 

 

 

 

x4 + Зх2 + 1

-2

5.Интегрирование по частям. Если функции и = и(х), v = v(x)

их производные и'(ж) и ^/(х) непрерывны на отрезке [а, 6], то

ьь

J udv = uv\ba~ J vdu

a

a

§ 4.

Определенный интеграл и методы его вычисления

155

Пример

6. Вычислить J ln xdx.

 

 

 

 

 

 

i

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О Положим и — ln ж, dv — dx, тогда du = — v — x. Имеем

 

 

 

 

 

 

x

 

 

e

 

 

e

 

 

 

 

J \nxdx=xlnx^—Jx' —=e—ж|^= e —e +1= 1. t>

 

l

 

 

l

 

 

 

 

Вычислить интегралы методом интегрирования по частям:

 

 

1

 

1

dx.

 

Г.399. J

хехdx.

7.400. J

arcsin х

 

\/1 Н- х

 

 

о

 

 

о

 

 

 

 

7г/3

 

е

 

 

 

J[

cos"1х

 

J

\n2xdx.

 

 

7.401.

 

Х-Г •.

7.402.

[

 

 

 

 

7 r / 6

 

 

1

 

 

 

 

т г / 4

 

2\Д

 

 

 

 

 

 

 

J x 2 4- 4

 

7.403.

/

e6xsmAxdx.

7. .

/

--- -—

dx.

 

ч

е3х sin 4х dx.

7.404.

J

xz

 

 

 

о

 

 

2

 

 

 

 

e

x\nxdx.

 

1

 

 

7.405.

 

7.406. J xarctg xdx.

 

 

l

 

 

 

о

 

 

 

7Г/ 4

 

7T / 2

 

 

7.407.x 2 c o s 2 xdx. 7.408. J

 

ех с о б х dx.

 

 

о

 

 

о

 

 

 

7.409. Показать, что для интеграла

 

 

 

 

тг/2

тг/2

 

 

 

 

 

о

О

 

 

 

 

 

 

 

 

71 — 1

 

 

верна рекуррентная формула =

---- 1П-2- Вычислить /7 и

 

7.410. Показать, что для интеграла 1

1П = £ х11е~х dx, п Е М,

о

верна рекуррентная формула 1П = е + п /п_ 1. Вычислить / 4.

156Гл. 7. Интегральное исчисление функций одной переменной

§5. Несобственные интегралы

1.Интегралы с бесконечными пределами. Если функция f(x) прерывна при а ^х < +оо, то по определению

4-оо

b

 

[ f(x )d x =

lim f f(x)dx.

(1)

J

6->+oo J

 

a

a

 

Если существует конечный предел в правой части формулы (1), то несобственный интеграл называется сходящимся, если этот предел не существует, то — расходящимся.

Геометрически несобственный интеграл (1) в случае f(x) > 0 есть площадь фигуры, ограниченной графиком функции у /(ж), прямой

х — а и осью Ох (асимптотой).

ь

Аналогично определяется интеграл //лf(x). . dx. Далее, по опреде-

лению

 

—ОО

 

 

 

 

+оо

с

+СЮ

 

J f(x )d x =

j

f (x) dx + J f (x) dx,

(2)

— oo

—oo

c

 

где c, —oo < c < -foo, — произвольно, причем интеграл в левой части равенства (2) считается сходящимся, если сходятся оба интеграла в правой части.

Пр из н ак и сходимости и расходимости приведем только для интегралов вида (1).

1)Если F(x) — первообразная для f(x) и существует конечный п

дел lim F(x) = F(+оо), то интеграл (1) сходится и равен

±->-foo

+оо

/f(x) dx = F(-foo) —F(a);

если же lim F(x) не существует,.то интеграл (1) расходится.

х >4-оо

4-оо

2) Пусть при а ^ х < -foo 0 ^ f(x) ^ д(х). Если J д(х) dx схо-

 

 

 

а

4-00

4-оо

4-оо

дится, то сходится и J

f(x) dx, причем J

f(x)dx

^ J g(x)dx. Если

а

а

 

 

4-оо

4-оо

 

J f(x) dx расходится, то расходится и j

д(х) rfa: (признаки ср а в-

а

а

 

 

нения).

§ 5. Несобственные интегралы

157

3) Если при а ^ х < +оо f(x) > 0, д(х)

> О и существует конеч-

 

 

 

4-сю

4-сю

ный предел lim

Д —г

ф 0, то интегралы

f f(x) dx и

[ д(х) dx

х -* + о о

д[х)

 

J

J

 

 

 

а

а

сходятся или расходятся одновременно (предельный

признак

сравнения).

 

 

 

 

 

4-00

 

4-со

 

4) Если сходится J

\f(x)\dx, то сходится и J f(x) dx (последний

 

а

 

а

 

интеграл называется в этом случае абсолютно сходящимся).

4-00

Пример

1. Вычислить /

е

Зх dx.

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

<3 Имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-оо

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

[ е"3ж dx =

lim

[ е~3х dx —

lim

( -^е~3ж

] =

 

 

J

b—>4~oo J

 

 

b—>4-o o

у

3

0 J

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= \

lim

( l - e-3») = I . t>

 

 

 

 

 

 

 

О b

 

и

На практике в качестве интеграла, с которым производится сравне-

ниетобычно используются интегралы вида

 

 

 

 

 

 

 

4-00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx,

а > 0,

а > О,

 

 

 

 

 

ж*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

которые сходятся при а > 1 и расходятся при а

^ 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-00

Пример

2. Исследовать на сходимость интеграл

[

X + 1

/

—= d x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

у/х3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

<1 При х -» +оо имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х + 1 _

х(1 + 1/х)

 

1

 

 

 

 

 

yfiä

 

х3/2

ж1/2'

 

 

 

 

4-оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г

dx

 

 

 

 

 

 

 

Так как интеграл

/

—-гг- расходится (а

— 1/2 < 1),

то и заданный

 

 

J

Х1' 1

 

 

 

 

 

 

 

1 интеграл также расходится. t>

158 Гл. 7. Интегральное исчисление функций одной переменной

Вычислить несобственные интегралы (или установить их рас ходимость):

+оо +оо

7.411.

[

 

 

 

 

 

7.412

Г

Лх

 

 

 

 

ж 1п3 х

 

 

 

 

 

У

х\Дпх

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

+оо

 

 

 

7.413.

[

—^

^ .

 

 

 

7.414.

[

е~2х соях йх.

 

 

ж2 + 6ж + 11

 

 

 

 

/

 

 

 

 

-оо

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

+оо

 

 

7.415.

/

х2 + 4

 

 

 

7.416.

Г 4 „+ ,

ах.

 

1

 

 

 

 

У ж2(1+ж)

 

 

о

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

+ 0 0

 

 

 

7.417.

[

- ~ ^

х— .

 

 

 

7.418.

[

яге“ * 2 Ах.

 

 

У л/(ж2 +5)3

 

 

 

 

У

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

+оо

 

 

 

7.419.

I

х с о б хс1х.

 

 

 

7.420.

/

— ~ - с1х.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

ж3 +

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

О о

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

++ооОС

 

 

7.421.

/

 

7.422.

[

- £ Й = .

 

 

 

 

 

У

Ж3

 

 

 

 

 

у

v/г т ^

 

 

1

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

+оо

 

 

 

7.423.

[

 

7.424.

[

е~х (1х.

 

 

 

 

 

У

^ж3 - 1

 

 

 

 

У

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

Исследовать на сходимость интегралы:

 

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

+оо

---

--------

 

,

(1х

 

 

 

 

[

\[х? + \Лс2 + 1

7.425.

/

-— — — —

 

 

7.426.

/

— -—

----— с?ж.

 

/

 

 

 

 

 

/

ж

Зж

1

 

1

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

 

7.427. Т

^ +

 

1)3

<Ь.

7.428. +Г

 

(1х.

 

У

2ж3 + \/ж^+ 1

 

 

 

У

\/я

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

+оо

 

 

 

 

 

+оо

 

 

 

7.429.

/

;

^

+ 2)

 

7.430.

[

Р Щ

1 Ах.

 

У

л/ж(ж + 1)(ж

 

 

 

Уж^/ж2

+

1

у

х

 

 

§ 5. Несобственные интегралы

159

+оо

 

 

 

+оо

 

 

7.431. f'

-r

iXdX

.

7-.432- .

dz

 

J

yjX

+ COS

X

J

x In In X

 

1

 

 

e2

 

 

2.Интегралы от неограниченных функций. Если функция f(x) не­

прерывна при а ^х < Ъи lim f(x) — оо, то по определению

 

х—>Ь-0

 

Ъ

6-7

 

J f{x) dx = Д т о J f(x) dx.

(3)

a

a

 

Если существует конечный предел в правой части формулы (3), то несобственный интеграл называется сходящимся, если этот предел не

существует, то — расходящимся.

 

 

 

Геометрически несобственный интеграл (3) в случае f(x) >

0 есть

площадь фигуры, ограниченной графиком функции у /(ж),

прямой

х — а и вертикальной асимптотой х — Ъ.

 

 

 

Аналогично определяется несобственный

интеграл в

случае

lim

f(x) =

оо.

 

 

 

 

ж-»а+0

v

 

 

 

 

 

В случае, когда с G (а, Ь) — точка разрыва и функция f(x)

неогра­

ничен в любой окрестности точки с,

 

 

 

 

Ь

 

с—71

 

Ь

 

 

/

f(x )d x — lim

/ f(x)dx+

lim

/ f(x)dx.

(4)

 

J

7 i - > + 0

J

7 2 —> + 0 J

 

 

а

 

а

 

с4-72

 

Признаки сходимости и расходимости несобственных интегралов от неограниченных функций аналогичны признакам из п. 1.

На практике в качестве интеграла, с которым производится сравне­ ние, обычно используются интегралы вида

/

_ *

, /

* _

( а > 0 ),

(5)

у

[х - а)а

У

(6 - х)а

 

 

аа

которые сходятся при а < 1 и расходятся при а ^ 1 (сравните с анало­ гичными интегралами в случае бесконечных пределов интегрирования).

 

2

 

 

/

dx

 

 

1

1п х

 

 

<1 При х -» 1 -—

~ — — (эквивалентные бесконечно большие),

т х

х —1

 

160 Гл. 7. Интегральное исчисление функций одной переменной

г.

Г(1х

Интеграл /

---- расходится как интеграл типа (5) при а — 1. Следо-

]

х - \

1

 

2

вательно, расходится и J[ (1х >

ИУ 1п х ‘ 1

Пример 4. Исследовать на сходимость интеграл

 

1

 

2х2 + у/х

/

-------(IX.

tgx - х

о

 

О Задача состоит в том, чтобы установить характер поведения подынте­ гральной функции при х -» +0. В числителе при х -» +0 имеем

2х2 + у/х = х} /2(2х3/2 + 1) ~ ж1/2.

В знаменателе воспользуемся формулой Маклорена для функции tgж:

tg х —х = (х +

+ о(ж3) | —х]-х3 + о(ж3) ~ ^ж3.

\

и

/

О

 

и

Следовательно, при х -» +0

 

 

 

 

2 + у/х

х}!2 _

 

1

 

tgx - х

— О ”

 

 

ж3/3

х5/2

 

1

1ак как интеграл /Г с1х расходится, то расходится и заданный инте-

о

грал. [>

Вычислить несобственные интегралы (или установить их рас­ ходимость):

 

1

 

 

 

2

 

 

е

 

/О

(1х

 

Г

 

 

X (1хС (1х

—0--- т. 7.434.

/ — --- — .

7.435. /

 

X2

+

хА

} (х2 -

I

)4/5

У

X 1п3 X

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

4

 

 

 

2/3

 

 

7.436.

Г

 

 

7 Ш

г

 

(1х

 

У \/бхх2 8

У хл/9х2 — 1

 

1/3