Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
_er_er_files_book894_book.pdf
Скачиваний:
175
Добавлен:
12.03.2015
Размер:
1.3 Mб
Скачать

Модуль 6. Интегральное исчисление функций одной переменной. Неопределенный интеграл

Понятие неопределенного интеграла и его свойства. Таблица интегралов

Первообразная функция

Определение: Функция F(x) называется первообразной функцией функции f(x) на отрезке [a, b], если в любой точке этого отрезка верно равенство: F(x) = f(x).

Надо отметить, что первообразных для одной и той же функции может быть бесконечно много. Они будут отличаться друг от друга на некоторое постоянное число.

F1(x) = F2(x) + C.

Неопределенный интеграл и его непосредственное вычисление

Определение: Неопределенным интегралом функции f(x) называется совокупность первообразных функций, которые определены соотношением: F(x) + C.

Записывают: f (x)dx = F(x) + C;

Условием существования неопределенного интеграла на некотором отрезке является непрерывность функции на этом отрезке.

Свойства неопределенного интеграла.

1.(f (x)dx)= (F(x) + C)′ = f (x);

2.d (f (x)dx)= f (x)dx;

3.dF(x) = F(x) + C;

4.(u + v w)dx = udx + vdx wdx; где u, v, w – некоторые функции от х.

5.C f (x)dx = C f (x)dx;

Нахождение значения неопределенного интеграла связано главным образом с нахождением первообразной функции. Для некоторых функций это достаточно сложная задача. Ниже будут рассмотрены способы нахождения неопределенных интегралов для основных классов функций

– рациональных, иррациональных, тригонометрических, показательных и др.

Для удобства значения неопределенных интегралов большинства элементарных функций собраны в специальные таблицы интегралов, которые бывают иногда весьма объемными. В них включены различные наиболее часто встречающиеся комбинации функций. Но большинство представленных в этих таблицах формул являются следствиями друг друга, поэтому ниже приведем таблицу основных интегралов, с помощью которой можно получить значения неопределенных интегралов различных функций.

23

1.dx

= x + C

 

 

2.x

α

 

 

 

 

x α +1

(α ≠ − 1)

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

+ C ,

 

α + 1

3

.dxx

= ln

 

 

 

x

 

+ C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

4.a

 

dx =

 

 

 

+ C , (a > 0 )

 

ln a

5.e x dx = e x + C

 

 

6

.sin

x dx

 

= − cos x + C

7

.cos

x dx

 

= sin x + C

8.tg x dx = − ln

 

cos x

 

+ C

 

 

 

 

 

9 .ctg x dx

 

= ln

 

sin

x

 

+ C

 

16 .

dx

 

= tg

x + C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ch 2 x

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

.sin x = ln

 

tg 2

 

 

+ C

 

 

17 .

 

= − ctg

 

x + C

 

 

 

 

 

 

 

 

sh 2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

π

 

 

 

 

dx

 

 

 

1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

.

 

 

 

 

 

= ln

tg

 

 

 

 

+

 

 

+ C

18 .

 

 

 

 

 

=

 

arctg

 

+ C , a 0

cos

x

 

 

 

 

 

 

4

a 2

+

x 2

 

a

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19 .

dx

 

 

=

1

 

a + x

+ C , a 0

12

 

 

= − ctg x + C

 

 

a 2

x 2

 

2 a

ln a x

sin 2 x

 

 

 

 

13

.

dx

 

 

 

= tg

 

x + C

 

 

 

20 .

 

dx

 

 

= arcsin

x

 

+ C

cos

2

x

 

 

 

 

a

2

x

2

a

 

14

.sh x dx

= ch

 

x + C

 

 

 

21 .

 

dx

 

 

= ln x +

x

2

± k + C

15

.ch

x dx

= sh x + C

 

 

 

x

2

± k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим три основных метода интегрирования.

1. Непосредственное интегрирование

Метод непосредственного интегрирования основан на предположении о возможном значении первообразной функции с дальнейшей проверкой этого значения дифференцированием. Вообще, заметим, что дифференцирование является мощным инструментом проверки результатов интегрирования.

Рассмотрим применение этого метода на примере:

Требуется найти значение интеграла dxx . На основе известной формулы дифференцирования (ln x)= 1x можно сделать вывод, что искомый интеграл равен ln x + C , где

С – некоторое постоянное число. Однако, с другой стороны (ln(x))= − 1x (1) = 1x . Таким

образом, окончательно можно сделать вывод: dxx = ln x + C

Заметим, что в отличие от дифференцирования, где для нахождения производной использовались четкие приемы и методы, правила нахождения производной, наконец определение производной, для интегрирования такие методы недоступны. Если при нахождении производной мы пользовались, так сказать, конструктивными методами, которые, базируясь на определенных правилах, приводили к результату, то при нахождении первообразной приходится в основном опираться на знания таблиц производных и первообразных.

Что касается метода непосредственного интегрирования, то он применим только для некоторых весьма ограниченных классов функций. Функций, для которых можно с ходу найти первообразную очень мало. Поэтому в большинстве случаев применяются способы, описанные ниже.

2. Способ подстановки (замены переменных)

Теорема: Если требуется найти интеграл f (x)dx , но сложно отыскать первообразную, то с помощью замены x = ϕ(t) и dx = ϕ′(t)dt получается:

f (x)dx = f (ϕ(t))ϕ′(t)dt

24

Доказательство: Продифференцируем предлагаемое равенство: d f (x)dx = d (f [ϕ(t)]ϕ′(t)dt)

По рассмотренному выше свойству №2 неопределенного интеграла: f(x)dx = f[ϕ(t)]ϕ′(t)dt

что с учетом введенных обозначений и является исходным предположением. Теорема доказана.

Пример. Найти неопределенный интеграл sin x cos xdx .

Сделаем замену t = sinx, dt = cosxdt.

tdt = t1/ 2 dt =

2 t 3/ 2

+ C =

2 sin3/ 2

x + C.

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

Пример. x(x2 + 1)

3/ 2 dx.

 

 

 

 

 

 

 

Замена t = x2 + 1;

 

dt = 2xdx;

dx =

dt

; Получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

t 3/ 2

dt

=

1

t 3/ 2 dt =

1

 

2

t 5 / 2

+ C =

t 5 / 2

+ C =

(x2 + 1)5 / 2

+ C;

 

 

 

 

 

5

2

2

 

 

2

5

 

 

 

5

 

 

 

3. Интегрирование по частям

Способ основан на известной формуле производной произведения: (uv)= uv + vu, где u и v – некоторые функции от х.

В дифференциальной форме: d(uv) = udv + vdu

Проинтегрировав, получаем: d(uv) = udv + vdu , а в соответствии с приведенными выше свойствами неопределенного интеграла: uv = udv + vdu или udv = uv vdu ;

Получили формулу интегрирования по частям, которая позволяет находить интегралы многих элементарных функций.

Пример.

x

2

sin xdx

 

u = x2 ; dv = sin xdx;

 

= − x

2

cos x + cos x 2xdx =

 

=

 

 

 

 

 

 

 

du = 2xdx; v = − cos x

 

 

 

= u = x;

dv = cos xdx;

= − x2 cos x + 2[x sin x

sin xdx]= − x2 cos x + 2x sin x + 2cos x + C.

du = dx; v = sin x

 

 

 

 

 

 

Как видно, последовательное применение формулы интегрирования по частям позволяет постепенно упростить функцию и привести интеграл к табличному.

u = e2x ;

du = 2e2x dx;

= e2x sin x sin x 2e2x dx =

Пример. e2x cos xdx =

 

 

dv = cos xdx;

v = sin x

 

u = e2x ;

du = 2e2x dx;

 

= e2x sin x 2[e2x cos x cos x 2e2x dx]= e2x sin x +

=

 

 

dv = sin xdx; v = − cos x;

 

+ 2e2x cos x 4cos xe2x dx

25