DDR 3 p.132-189
.pdfTopic 5. Integration of irrational functions
A rational function of x and a x2 , |
a x2 , |
x2 a , n ax b and so |
on can be integrated by using the algebraic and trigonometric substitutions. Integration of binomial differentials. Euler substitutions. Method by Ostrogradskiy.
Literature: [1, section 6, ch. ch. 6.6], [2, section 2, ch. 2.1], [3, гл. 7, §1], [4, section 7, §22], [6, section 8], [7, section 10, §§10–11], [9, 1 part, §33].
T5 Main concepts
5.1. Integration of the quadratic irrationality.
Consider the integrals
|
dx |
, |
Ax B |
dx , ( a 0 , D 0 ). |
|
ax 2 bx c |
ax 2 bx c |
||||
|
|
|
These integrals can be found by the method illustrated in Examples 5, 6, 8 and 9 (see topic 3). First complete the square of the denominator and use
the substitution |
|
x + |
|
b |
|
=t |
. The first integral in this case transforms to the |
||||||||||
|
|
||||||||||||||||
|
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2a |
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form: |
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dz |
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||
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|
C , |
if a 0 , |
||||||
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ln |
z z 2 m2 |
|||||||||||
|
z 2 m2 |
||||||||||||||||
or |
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||||||||
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dz |
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z |
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|
|||||
|
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|
|
arcsin |
|
C , if |
a 0 , |
|||
|
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|
|
m |
2 |
z |
2 |
m |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
and the second integral is expressed as the sum of simpler integrals.
5.2. Integration of
|
m |
|
r |
|
|
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|
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|
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|
|
|
m |
|
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r |
|
|
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|
|
||||||
|
|
|
|
m |
|
r |
|
R |
|
|
ax b n |
ax b s |
||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
R x, x n |
,..., x s ; |
R x, ax b n ,..., ax b s |
|
x, |
|
,..., |
. |
|||||||||||||
|
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|
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|
|
; |
|
|
cx d |
|
|
|
|
||||
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|
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|
|
cx d |
|||||||||
|
|
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|
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|
m |
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Any rational function of x and x n ,..., x |
s |
|
can be transformed into rational |
||||||||||||||||
function of t by the substitution x tk , dx ktt 1dt. |
Here k is the smallest |
|||||||||||||||||||
multiple of the fractional denominators |
m ,..., |
r |
. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
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|
|||||||||||||
|
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|
|
n |
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
132
|
|
|
|
m |
|
|
r |
|
|
|
|
|
||
A rational function of x and ax b n ,..., ax b |
|
|
can be transformed |
|||||||||||
s |
||||||||||||||
into rational function of t by the substitution ax + b = tk, dx = |
k |
tk – 1dt. Here |
||||||||||||
a |
||||||||||||||
k is the smallest multiple of the fractional denominators |
m ,..., |
|
r |
. |
||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
s |
|||
|
|
m |
|
|
r |
|
|
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|
|
|
|||
|
ax b n |
ax b s |
|
|
|
|
|
|||||||
The function R x, |
|
,..., |
|
.can be transformed into |
||||||||||
|
cx d |
cx d |
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|
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||||||
|
|
|
|
|
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|
|||
rational function of t by the substitution |
ax b |
t |
. Here k is the smallest |
|||||||||||
|
|
|
|
cx d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
multiple of the fractional denominators mn ,..., rs .
5.3. Integration of binomial differentials xm(a + bxn)pdx .
Here m, n and p are rational numbers.
Case 1: p is an integer number. Let x = tk. Here k is a less general denominator of fractional powers m and n.
Case 2: |
m 1 |
is an integer number, let a + bxn = tk. Here k is a |
|
n |
|
denominator of fraction p.
Case 3: |
m 1 |
p |
is an integer number. Let |
a bxn |
t |
k |
. Here k is a |
n |
xn |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
denominator of fraction p.
5.4. Integration of R x, ax2 bx c .
We shall consider three methods:
The first Euler substitution ax2 bx c t x a, a 0 .
The second Euler substitution |
ax2 |
bx c tx |
|
c, c 0 . |
||||||||
The third Euler substitution |
|
ax2 bx c t |
|
x x |
|
(if x1 is the root of |
||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
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|
|
|
|
1 |
|
|
|
equation). |
|
|
dx |
|
|
|
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|
|
|||
5.5. Integrals in the form |
|
|
|
|
|
. |
|
|
||||
(x m) |
ax |
2 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
bx c |
|
|
||||||
The substitution |
x m 1 |
turns this integral into the easy integral. |
||||||||||
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
133
5.6. Integrals in the form |
|
f x dx |
. |
|||||
F x ax |
2 |
bx c |
||||||
|
|
|
|
|
||||
Here |
f (x) |
is a rational function of a single variable. This integral can |
||||||
|
||||||||
|
F(x) |
|
|
|
|
|
|
|
be computed by partial fractions of |
f (x) |
. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
F(x) |
|
|
|
|
5.7. Three trigonometric substitutions. |
|
|||||||
Integrals in the form R(x, |
ax 2 bx c )dx can be found by using a |
trigonometric substitution, if the integrand is a rational function of x and:
1. |
a x2 |
let |
x |
a sin t. |
2. |
a x2 |
let |
x |
a tg t. |
3. |
x2 a let |
x |
a sect. |
The motivation behind this general procedure is quite simple.
1. If you replace x in |
a x2 by |
x a sin t you obtain: |
||
a x2 |
a |
a sin t 2 |
a a sin2 t |
a 1 sin2 t |
a cos2 t a cost.
The important thing is that the square root sign disappears.
2. |
a x2 |
a a tg2 t |
a |
1 sin2 t |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
cos2 t |
|
|
||
|
|
|
a |
cos2 t sin2 t |
|
|
a |
a sec t. |
|||
|
|
|
cos2 t |
|
cos t |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
x2 a |
a |
a |
a |
1 cos2 t |
a tg t. |
|||||
cos2 t |
|
cos2 t |
|
||||||||
|
|
|
|
|
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T5. |
Typical problems |
|||
Find the integrals |
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1. |
|
dx |
|
. |
|
|
1 x 2x2 |
||||
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|
Solution. Complete the square:
134
|
1 x 2x2 2(x2 |
|
x |
|
|
1 ) 2[(x 1 )2 |
|
1 |
|
|
|
|
1 |
] 2[ |
9 |
(x 1 )2 |
] . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Then |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
2 |
|
|
|
|
2 |
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4 |
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|
16 |
|
|
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|
2 |
|
|
|
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|
16 |
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4 |
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|
dx |
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dx |
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1 |
|
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|
d(x 1/ 4) |
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|||||||||||||||||||||
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|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
1 x 2x2 |
|
|
|
2[ |
9 |
(x 1 )2 ] |
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
2 |
|
|
|
|
1 2 |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
16 |
|
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|
4 |
|
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|
x |
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|||||||||||||||||
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4 |
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|
|
|
|
4 |
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|||||||||||||||||||||
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|
|
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|||||||||||||
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|
1 |
|
arcsin |
x 1/ 4 |
|
|
1 |
|
arcsin |
|
4x 1 |
C . |
|
|
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|
|
|
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|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
2 |
|
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|
|
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|
3 / 4 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||
2. |
|
|
|
|
|
(x 2)dx |
|
|
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|
. |
|
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4x 2 4x 17 |
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|||||||||||||||||||||
|
Solution. Given the derivative |
(4x 2 4x 17) 8x 4 , |
the |
numerator |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
transforms to the form: |
|
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|
|
|||||||||||||||||||
|
x 2 |
1 (8x 4) |
|
4 |
2 |
1 (8x +4) - |
5 |
= |
1 |
(4x2 +4x +17) |
¢- |
5 |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
8 |
|
|
8 |
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Then |
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|||||||||||||||||||||
|
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|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||
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|
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|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
(x 2)dx |
|
|
|
( |
8 (8x |
4) |
|
|
)dx |
1 |
|
|
|
|
|
d(4x 2 4x 17) |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
|
|
2 |
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
|
|
|
|
|
|
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|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
4x 2 4x 17 |
|
|
4x 2 4x 17 |
|
|
|
|
4x 2 4x 17 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
5 |
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
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|
|
1 |
|
|
4x 2 4x 17 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
d(2x 1) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
4 |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
4x |
2 |
4x |
17 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2x 1) |
2 |
16 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
4x 2 4x 17 |
5 |
|
|
|
C. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
2x 1 4x 2 4x 17 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|||
|
We |
used |
|
|
|
the |
|
|
|
given |
|
table |
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integrals: |
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3 x |
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Solution. The smallest multiple of 2 and 3 is 6. This suggests the |
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substitution |
x t 6 , |
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dx 6t 5 dt . Then |
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x |
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t 4 |
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dt 6 |
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(t 4 1) 1 |
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x |
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x 2 |
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1)(t 1)(t 1) 1 |
dt |
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6 (t 2 1)(t 1)dt |
6 |
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dt |
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6 |
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dt |
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3 |
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C |
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t 1 |
2 |
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x 6 6 x 6 ln |
6 x 1 |
C . |
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x3 |
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t18 t4 12t11dt |
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x t12 ; |
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dx 12t11dt; |
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2x2 4 x |
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2x12 x |
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C. |
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5. I |
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3x 1 x |
dx. |
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x |
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t2 |
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dx 2t5dt |
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C. |
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ln |
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1 |
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2arctg |
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x 2 |
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x 2 |
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x 2 |
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Integration of the binomial differentials |
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9. |
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x (3 3 x )2 dx . |
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Solution. Multiplying the integrand we get |
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1 |
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1 |
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2 |
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1 |
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5 |
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7 |
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x (3 3 x )2 dx x 2 (9 6x 3 x |
3 |
)dx (9x 2 6x 6 x 6 )dx |
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3 |
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11 |
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13 |
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6x |
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36 x |
6 |
6 |
x 6 C . |
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2 |
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13 |
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11 |
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10. I |
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dx |
. |
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x 3 x 1 2 |
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|||||||||||||||||||
Solution. This p is an integer number and is equal to |
2. Thus: |
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I x |
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1 |
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1 |
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2 |
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x t |
6 |
; |
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6 |
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t |
2 |
dt |
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2 |
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3 |
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x |
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1 |
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dx |
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5 |
dt; |
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1 |
t |
2 |
2 |
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dx 6t |
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||||||||||||||
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3t |
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3arctgt C |
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36 x |
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3arctg 6 |
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x C. |
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1 |
t2 |
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1 3 |
x |
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138
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5 |
xdx |
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11. I |
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. |
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25 x3 |
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3 |
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Solution. Multiplying the integrand we get |
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5 |
xdx |
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1 |
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3 |
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1 |
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||||
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I |
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x5 (3 |
2x5 )2 dx. |
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3 25 x3 |
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Here m = 1 |
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; n |
3 |
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|
and |
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m 1 2 |
– an integer number. |
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5 |
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5 |
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n |
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3 |
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5 |
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3 t |
2 3 |
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1 |
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|
3 |
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1 |
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3 2x |
5 |
t |
2 |
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|
; |
|
||||||||||||
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2 |
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x |
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2 |
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Thus I x |
5 |
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x |
5 |
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dx |
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2 |
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3 2 |
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5 |
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t |
2 |
|
3 |
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|||
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dx |
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3 |
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|
dt; |
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|||||||||||
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3 |
t |
2 |
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||||||||||||
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|||||
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1 |
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2 |
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||
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3 t2 3 |
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1 |
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5 |
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3 t2 |
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5 |
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||||||||||||||||
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3 |
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2 |
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|||||||||||||||||||||||||
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|
t |
|
|
|
t |
|
|
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|
dt |
|
3 t dt |
|||||||||||||||||||||
|
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2 |
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2 |
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6 |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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3 |
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|||||||||||||
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5 |
t |
5 |
|
t3 |
C |
5 |
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3 |
25 x3 |
3 |
5 |
|
3 25 x3 C. |
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|||||||||||||||||||||||||||||
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2 |
18 |
18 |
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|
2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
12. |
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|
dx |
|
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|
|
. |
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x11 1 x 4 |
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|||||||||
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Solution. Transforming the integrand we get |
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I |
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dx |
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x 11 (1 x 4 ) 12 dx . |
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||||||||||||||||||||||
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x11 |
|
1 x 4 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
|||||||||||
Here |
|
p 1 |
, |
m 11, n 4 . Thereby |
|
m 1 p 3 is the integer |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
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|
|
n |
|
|
|
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|
||||
number, we have the third case. Transforming the integrand we get |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
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dx |
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. |
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|
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|||||||||||
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x11 x 2 |
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x13 |
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||||||||||||||||||||
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x 4 1 |
|
|
x 4 1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
This suggests the substitution x 4 |
1 t 2 , 4x 5 dx 2tdt . Therefore, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x 4 |
t 2 1, |
x 5 dx 1 tdt . |
|
|
Multiplying |
|
both |
numerator and |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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2 |
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denominator by x 5 , we get
139
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1 |
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I |
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x 5 dx |
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x 5 dx |
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2 tdt |
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x8 |
x 4 1 |
(x 4 ) 2 |
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x 4 1 |
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(t 2 1) 2 t 2 |
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1 |
(t 2 1)2 dt |
1 (t 4 |
|
2t 2 1)dt |
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1 |
|
t 5 |
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1 t 3 |
1 t C |
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10 |
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2 |
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2 |
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3 |
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2 |
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1 |
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1 |
x |
4 5 |
1 |
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1 |
x 4 3 |
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1 1 x 4 |
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4 |
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4 |
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4 |
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C . |
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10 |
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x |
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3 |
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x |
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2 |
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x |
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Euler substitutions |
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13. |
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dx |
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. |
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1 |
x2 2x 2 |
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Solution. Here a 1 0 . We can use the substitution |
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x 2 2x 2 t x . |
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Then |
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x |
2 |
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2x |
2 t |
2 |
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2tx x |
2 |
, 2x 2 |
t |
2 |
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2tx , |
x |
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t 2 2 |
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, |
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2(1 t) |
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dx |
t 2 2t 2 |
dt , 1 x 2 2x 2 1 t |
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t 2 2 |
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t 2 |
. |
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2(1 t)2 |
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2(1 t) |
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2(1 t) |
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Thereafter we get an integral |
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dx |
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( t 2 |
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2t 2) |
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2(1 t) |
dt |
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t 2 2t 2 |
dt . |
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1 |
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x2 2x 2 |
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2(1 t)2 |
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( t 2 ) |
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(1 t)t 2 |
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To express the integrand as the sum of partial fractions: |
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t |
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2 2t 2 |
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A |
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B |
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C |
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. |
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(1 t)t 2 |
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t 2 |
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t |
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1 t |
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With equality |
t 2 2t 2 A(1 t) Bt(1 t) Ct 2 |
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computing the unknown coefficients: |
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t 2 : B C 1 , |
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t 0 : A 2 ; |
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t 1: C 1; |
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B 0 . |
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Consequently, |
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t 2 2t 2 |
dt 2 |
dt |
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dt |
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2 |
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ln |
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t 1 |
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C . |
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2 |
2 |
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1 t |
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t |
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(1 t)t |
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t |
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140
Replacing t by |
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x2 2x 2 x . Thus |
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dx |
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2 |
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ln |
1 x x 2 2x 2 |
C . |
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1 x 2 2x 2 |
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x |
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x 2 2x 2 |
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14. I |
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9 x2 |
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dx. |
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x 2 |
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Solution. Here the integrand is polynomial in which a 1 0 and c = |
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9. We use the second Euler substitution: |
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9 x2 |
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tx 3 |
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9 x |
2 |
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t |
2 |
x |
2 |
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6xt |
9 x |
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6 t |
|
dx |
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6 t2 1 |
dt. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
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t2 1 |
|
|
t2 1 2 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hence |
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6t2 |
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1 dt |
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||||||||||||||
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2 |
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2 |
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4 |
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2 |
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1 |
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3 t |
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t |
2t |
1 |
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I 6 |
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|
t |
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9 |
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|
dt. |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2 |
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2 |
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6t |
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2 |
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2 |
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2 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
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t |
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1 t |
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3t |
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t |
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1 |
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2 |
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2 |
1 |
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t |
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||||||||||||
Multiplying the integrand we get |
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I 9 |
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2 |
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2 |
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2 |
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6 |
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4arctgt C, |
when t |
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9 x2 |
3 |
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t2 1 |
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x |
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15. I |
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(x 1) x |
2 4x 2 |
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Solution. This suggests the substitution |
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x 1 |
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1 and |
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dx |
dt |
, hence |
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t 2 |
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1 |
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t |
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t |
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t |
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t |
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dt |
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t 1 |
C = |
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1 2t t2 |
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2 (t 1)2 |
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2 |
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