
- •В. Б. Смирнова
- •Первообразная.
- •Определение неопределенного интеграла.
- •Простейшие правила интегрирования.
- •I. Вынесение постоянного множителя за знак интеграла.
- •Замена переменной в неопределенном интеграле.
- •Интегрирование по частям.
- •7. Интегрирование дробно-рациональных функций.
- •8. Интегрирование некоторых типов тригонометрических функций.
- •9. Интегрирование некоторых иррациональных функций.
- •10. Разные задачи.
- •Неопределенный интеграл
8. Интегрирование некоторых типов тригонометрических функций.
I. Интегрирование произведений синусов и косинусов различных аргументов.
Для вычисления интегралов этого типа нужно последовательно осуществлять преобразование произведений пар тригонометрических функций в суммы пар тригонометрических функций, согласно формулам:
.
Приведём примеры.
Пример
8.1.
.
Пример
8.2.
.
Пример
8.3.
.
II.
.
Здесь следует выделить два случая:
одно из чисел:
, является целым, положительным, нечётным;
оба числа
являются целыми, неотрицательными (
), чётными.
В случае 1) нужно
выделить из нечётной степени
один множитель (соответственно
)
и объединить этот множитель с дифференциалом
.
Далее, нужно выразить подынтегральное
выражение только через
или только через
,
воспользовавшись тем, что
,
,
а
.
Приведём примеры.
Пример
8.4.
Сделаем замену
переменной
.
Получим
.
Пример
8.5.
.
Пример
8.6.
Введем новую
переменную
.
Тогда
Заметим, что если обе степени m и n положительные и нечетные, то отделять множитель выгодно от степени с меньшим показателем.
Пример
8.7.
В случае 2) нужно воспользоваться формулами
позволяющими понизить степень функций, входящих в подынтегральное выражение.
Пример
8.8.
Пример 8.9.
Пример
8.10.
III.
Ранее уже были найдены
Для вычисления
интегралов от прочих натуральных
степеней функций
и
следует воспользоваться формулами
соответственно, записав предварительно интегрируемые функции в виде
При этом следует
учесть, что
Пример 8.11.
Пример 8.12.
Пример
8.13.
9. Интегрирование некоторых иррациональных функций.
Рассмотрим здесь интегралы вида
,
где
– числа.
Чтобы вычислить этот интеграл, следует вычислить производную подкоренного выражения:
Затем в числителе подынтегральной функции следует выделить эту производную, поделив «уголком» числитель на полученную производную, то есть представить числитель в виде суммы двух слагаемых:
Тогда
(9.1)
Рассмотрим каждый из интегралов, стоящих в правой части (9.1), отдельно.
Положим
. Тогда
.
(9.2)
Здесь в подкоренном
выражении выделен полный квадрат. В
результате правая часть равенства (9.2)
приведена к табличному интегралу. Если
,
это интеграл типа (3.16) из таблицы, если
– интеграл типа (3.14).
Пример 9.1.
.
Воспользуемся формулами
,
.
Тогда
Пример 9.2.
.
Воспользуемся формулами
.
Получим
Пример
9.3.
.
Воспользуемся формулами
.
Получим
В разделе 7 мы показали, как интегрировать дробно-рациональные функции. В дальнейшем основным приемом интегрирования будет отыскание таких подстановок
(раздел 5), которые позволят избавиться от радикалов и приведут подынтегральное выражение к рациональному виду и тем самым позволят выразить исходный интеграл в виде функции аргумента
. Данный прием называетсярационализацией подынтегрального выражения. Если при этом функция
такая, что существует обратная и можно выразить
через
с помощью элементарных функций, то интеграл представится и в виде функции аргумента
. Рассмотрим здесь тригонометрическую рационализацию для интегралов вида
и
, где через
обозначена дробно-рациональная функция двух аргументов.
В интеграле
положим
(9.3)
и вычислим
.
Продифференцируем
(9.3) и найдем
.
Тогда исходный интеграл примет вид
.Решая его,
получим функцию, зависящую от
и тригонометрических функций аргумента
.
Чтобы
вернуться к переменной
,
следует из (9.3) выразить тригонометрическую
функцию
,
(9.4)
откуда
.
Затем в прямоугольном треугольнике
отметим острый угол
(рис. 1), противолежащий ему катет
и гипотенузу
.
Тогда по теореме Пифагора прилежащий
катет равен
.
В этом треугольнике
необходимые нам значения тригонометрических
функций аргумента
выражаем как соотношение известных
катетов и гипотенузы.
Замечание.
Изложенный прием определения
тригонометрических функций аргумента
применим лишь для
.
Но в силу свойств тригонометрических
функций все формулы справедливы и для
.
В примере 5.13 уже был применен прием рационализации для интеграла такого типа.
Пример 9.4 [6].
.
Воспользуемся заменой (9.3), где
,
и формулами
,
.
Получим:
Вернемся теперь
к переменной
.
Из (9.4) следует
и
,
а из треугольника, изображенного на
рисунке 1, видно, что
.
Тогда
В интеграле
положим
(9.5)
и вычислим
.
Продифференцируем
(9.5) и найдем
.
Тогда исходный интеграл примет вид
.Решая его,
получим функцию, зависящую от
и тригонометрических функций аргумента
.
Чтобы
вернуться к переменной
,
следует из (9.5) выразить тригонометрическую
функцию
,
(9.6)
откуда
.
Затем в прямоугольном треугольнике
отметим острый угол
(рис. 2), противолежащий ему катет
и прилежащий к нему катет
.
Тогда по теореме Пифагора гипотенуза
равна
.
Затем необходимые
нам значения тригонометрических функций
аргумента
выражаем как соотношение известных
катетов и гипотенузы в этом треугольнике.
Приведем примеры применения приема
рационализации для интеграла
рассмотренного типа.
Пример
9.5.
.
Воспользуемся заменой (9.5), где
,
и формулами
,
.
Получим
.
Вернемся теперь
к переменной
.
Для этого обратимся к рисунку 2 и выразим
.
Тогда
.
В интеграле
положим
(9.7)
и вычислим
.
Продифференцируем
(9.7) и найдем
.
Тогда исходный интеграл примет вид
.Решая его,
получим функцию, зависящую от
и тригонометрических функций аргумента
.
Чтобы
вернуться к переменной
,
следует из (9.7) выразить тригонометрическую
функцию
,
(9.8)
откуда
.
Затем в прямоугольном треугольнике
отметим острый угол
(рис. 3), прилежащий к нему катет
и гипотенузу
.
Тогда по теореме Пифагора противолежащий
ему катет равен
.
Затем необходимые
нам значения тригонометрических функций
аргумента
выражаем как соотношение известных
катетов и гипотенузы в этом треугольнике.
Приведем пример применения приема
рационализации для интеграла третьего
типа.
Пример
9.6.
.
Введем новую функцию
(9.9)
и воспользуемся
формулами
,
.
Получим:
.
Теперь из (9.9)
выразим
.
Из прямоугольного треугольника,
изображенного на рисунке 3, видно, что
.
Тогда
Рационализацию интеграла вида
, где
означает рациональную функцию двух и более аргументов, осуществим с помощью замены
.
(9.10)
Здесь степень
равна такому числу, которое делится
нацело на
,
другими словами
есть наименьшее общее кратное для чисел
.
Это позволит нам избавиться от радикалов.
Продифференцируем равенство (9.10)
и найдем
.
Таким образом, все подынтегральное
выражение будет сведено к рациональной
функции одного аргумента
.
Ранее в примере 5.14 этот прием уже
применялся. Приведем еще один пример.
Пример 9.7.
.
Сделаем замену
,
продифференцируем это равенство
и найдем
.
Получим
.
Подынтегральная функция является
неправильной рациональной дробью.
Выделим ее целую часть, поделив числитель
на знаменатель.
Тогда
.
Затем вернемся к
старой переменной по формуле
.
Получим
.