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Higher_Mathematics_Part_2

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19.

x 3

x2 + 2x + 5 ln x + 1+ x2 + 2x + 5 + C .

20.

1 ln x + 6 +

 

60x 15x2

+ C .

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

2x 3

 

 

21.

 

 

6x 8 x2

 

x 2

+ C . 23. Remark. Use a substitution

1

= t .

 

 

2(x 2)

+ 2 6x 8 x2

 

 

 

 

 

x 1

 

24.

 

ln

 

+

1

+

 

x2 + x + 1

 

+ C .

26. Remark. Use a

substitution

 

1

 

= t .

30.

Remark.

 

1

 

 

 

 

x

2

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 1 .

 

 

 

 

 

 

 

Multiple both numerator and denominator by x +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.5

 

 

 

 

 

Individual test problems

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1. Find the integrals.

5.1.1.

 

dx

 

 

 

.

 

4

+ 8x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.4.

 

dx

 

 

 

.

 

x

2 + 6x + 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.7.

 

dx

 

 

 

.

 

2

2x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.10.

 

 

dx

 

 

 

.

 

2x

+ 3 x2

 

 

 

 

 

 

5.1.13.

 

 

dx

 

 

 

.

 

4x

2 x + 4

 

 

 

 

5.1.16.

 

 

dx

 

 

 

.

3x

+ 2 x2

 

 

 

 

 

5.1.19.

 

 

dx

 

 

 

.

16x2

8x + 3

 

 

 

5.1.22.

 

 

dx

 

 

 

 

 

4x

2 + 4x + 3

 

 

 

5.1.25.

 

 

dx

.

 

1 x x2

 

 

 

 

 

 

 

5.1.28.

 

 

 

dx

 

 

.

 

 

3x2

+ 6x + 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.2.

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

x

2 4x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.5.

 

 

 

 

dx

 

.

 

 

2

+ 8x 2x2

 

 

 

 

 

 

 

5.1.8.

 

 

 

dx

 

.

 

 

 

 

1

+ 6x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.11.

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

4x2 8x + 3

 

 

 

 

5.1.14.

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

.

 

 

2

+ 4x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.17.

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

.

 

 

2x2

8x + 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.20.

 

 

 

dx

 

.

 

 

 

 

 

x

2 x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 5.1.23.

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

5

6x 9x2

 

 

 

 

 

 

5.1.26.

 

 

 

 

dx

 

 

.

 

 

 

 

1 2x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.29.

 

 

 

 

dx

 

.

 

 

 

 

 

 

3

x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

141

 

 

 

 

 

 

 

5.1.3.

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3x 2x2

 

5.1.6.

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

+ 2x x2

 

5.1.9.

 

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 10x + 4

.

5.1.12.

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ 2x x2

 

5.1.15.

 

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2x + 4

 

5.1.18.

 

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 5x + 6

 

5.1.21.

 

 

 

 

 

dx

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 x 2x2

.

5.1.24.

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

3x 2x2

 

5.1.27.

 

 

 

 

dx

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

3x x2

 

5.1.30.

 

 

 

 

dx

 

 

 

.

 

 

 

x

2

+ 4x

 

 

 

 

 

 

 

+ 8

 

 

5.2. Find the integrals.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.1.

 

(3x 1)dx

.

 

 

5.2.2.

 

 

 

 

(4x + 3)dx

.

 

 

 

 

 

 

5.2.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 4x + 5

 

 

 

 

 

 

 

7 2x x2

 

 

 

 

 

 

 

5.2.4.

 

(7x 3)dx

.

 

 

 

 

5.2.5.

 

 

 

 

 

(3 x)dx

.

 

 

 

 

 

 

5.2.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 + 2x x2

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2x + 2

 

 

 

 

 

 

 

5.2.7.

 

(x + 3)dx

.

 

 

5.2.8.

 

 

 

 

(2x 1)dx

.

 

 

 

 

 

5.2.9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 8x + 18

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2x + 3

 

 

 

 

 

 

 

5.2.10.

(5x + 4)dx

 

.

5.2.11.

 

(x + 2)dx

.

5.2.12.

x2 + 8x + 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 2x x2

 

 

 

 

 

 

 

5.2.13.

(3x + 2)dx

.

 

5.2.14.

 

(6x + 1)dx

.

5.2.15.

 

 

 

 

 

 

 

5 4x x2

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2x + 9

 

 

 

 

 

 

 

5.2.16.

(4 x)dx

.

 

5.2.17.

 

(7x + 4)dx

.

5.2.18.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2x + 4

 

 

 

 

 

 

 

114x x2

 

 

 

 

 

 

 

5.2.19.

(4x + 3)dx

.

 

5.2.20.

 

 

 

(3x 7)dx

.

5.2.21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 + 2x x2

 

 

 

 

 

 

 

12 + 4x x2

 

 

 

 

 

 

 

5.2.22.

(2 x)dx

 

.

5.2.23.

 

 

(x 4)dx

.

5.2.24.

14 4x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 8x + 20

 

5.2.25.

(5 x)dx

.

 

5.2.26.

 

dx

.

 

5.2.27.

 

 

 

1 2x x2

 

 

 

 

x2 + 4x + 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.28.

(x + 3)dx

 

.

5.2.29.

 

 

(3x + 2)dx

.

5.2.30.

218x x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 4x + 10

 

5.3. Use trigonometric substitution to find the integrals.

(5x + 2)dx

.

x2 + 6x + 10

 

(2 3x)dx .

 

x2 4x + 6

 

(4x + 3)dx .

 

6 4x x2

 

(3x 5)dx . x2 + 4x + 8 (3x + 1)dx . 8 4x x2

(9x + 1)dx .

5 2x x2

 

(3x 1)dx

.

x2 + 6x + 11

 

(3 4x)dx . x2 + 4x + 7 (x + 5)dx .

x2 + 2x + 9

 

(x 4)dx

.

13 6x x2

 

5.3.1.

1 x

2

dx .

5.3.2.

x2 1

dx .

5.3.3.

4 + x

2

dx .

x

 

x

 

 

 

x

 

 

5.3.4.

1 x

2

dx .

5.3.5.

4 x

2

dx .

5.3.6.

x2 + 9

dx .

x

4

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.7.

x2 + 4

dx .

5.3.8.

4 x2

dx .

5.3.9.

 

9

x2

 

dx .

x

2

 

x

4

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.10.

x2 + 4

 

5.3.11.

(4 x2 )3

5.3.12.

 

 

dx

 

 

 

x4

 

 

dx .

 

x6

dx .

 

 

.

 

 

 

 

 

(x2 + 1)5

 

 

 

 

 

 

 

142

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.13.

 

 

x2 9

dx .

5.3.14. x

3

 

 

9 x

2

dx .

 

 

 

5.3.15.

 

 

x2 1

dx .

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

5.3.16. x 2

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

5.3.17.

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.18.

 

 

x2 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 1)3

.

 

 

 

x2 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

5.3.19.

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

.

5.3.20.

 

x2 9

dx .

 

 

 

5.3.21.

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

.

x3 x2 1

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

x2

x2

+ 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.22. x

2

 

 

 

1 x

2

dx .

 

5.3.23.

 

x2 4

 

dx .

 

 

 

5.3.24.

 

 

16 x2

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3.25.

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

.

 

5.3.26.

 

x2 + 9

dx .

 

 

 

5.3.27.

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x 2 + 9)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 + 4)3

5.3.28.

 

 

x

2 dx

 

.

 

 

5.3.29.

16 x

2

dx .

 

 

5.3.30.

 

 

16 x 2

dx .

 

 

9

 

x2

 

 

 

 

 

x

4

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4. Find the integrals.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.1.

 

 

 

 

1

 

 

x + 1

 

dx .

 

 

 

 

 

 

5.4.2.

 

 

3

 

 

 

x + 1 1

 

 

 

dx .

(1 +

 

3

x

+ 1) x

 

 

 

 

 

 

 

(

x

+ 1 +

1) x + 1

 

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.3.

3

 

(x

+ 1)2 + 6 x + 1

dx .

 

 

 

 

 

 

5.4.4. (

3

x

+ 1)(

 

x + 1)dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 1 +

 

 

 

x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.5. x +

3

 

 

2

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.6.

 

 

2x + 1 +

3

 

2x + 1dx .

 

 

3 x

 

 

+

 

 

x dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(

 

x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.7. 3

 

 

 

 

 

 

x 1

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

5.4.8.

 

 

x 1 23 x

1

dx .

 

x 1 +

6

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

3

x

1 + x 1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.9. 3

 

x

 

 

 

6 x 1

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

5.4.10. x +

 

3 x + 3 x2

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(

 

x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.11. 3

 

 

 

 

6

 

x

+ 3

 

dx .

 

 

 

 

 

 

5.4.12. x +

3

 

2

+

6

x dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 3 + x + 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(

 

x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.13.

 

 

 

 

 

 

 

3x + 1 1

 

dx .

 

 

 

 

 

 

5.4.14.

 

 

 

3x + 1 + 2

 

dx.

 

 

 

 

 

3x + 1 +

3

3x +

 

 

 

 

 

 

 

3

3x + 1 +

 

 

3x +

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

143

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.15.

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx.

 

 

 

 

5.4.16.

3

x 3

 

x

 

dx .

 

3 (2x + 1)2 2x

 

 

 

 

 

x

6

x

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

5.4.17. 3

 

 

 

 

x + 3

 

dx .

 

 

 

 

5.4.18.

 

6

3x + 1 + 1

dx .

x +

3 +

6

x

 

 

 

 

 

 

3x

+ 1

 

3

 

3x + 1

 

 

 

 

+ 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.19.

 

 

 

x

1

dx .

5.4.20.

3

 

x +

6

x

dx .

 

5.4.21.

 

 

 

 

x

dx .

 

x (

3

 

 

 

 

 

x +

x

 

1 +

4

 

 

 

 

 

x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

5.4.22.

 

 

 

 

x

 

dx .

 

5.4.23. 4 x +

 

x dx .

5.4.24.

 

x 63

x2

dx .

 

 

3x + 3 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 1

 

 

 

 

 

 

 

x(

 

x + 1)

5.4.25.

 

 

x + 3

 

dx .

5.4.26.

 

 

x

 

dx .

5.4.27.

 

 

 

 

x

dx .

1

+

3

x + 3

x

43 x2

4x

3 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4.28.

 

 

3x

 

dx .

 

 

5.4.29.

 

 

 

4x

dx .

 

 

5.4.30.

 

 

 

 

x

dx .

 

 

1

 

 

x

 

 

 

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3 x2

 

Topic 6. Definite integrals

Definitions. Existence of the definite integral. Properties of the definite integral. The fundamental theorem of integral calculus by Newton-Leibniz. Basic methods of definite integrals application.

Literature: [1, section 7], [3, section 7, §2], [4, section 7, §23], [5, section 6], [6, section 9, ch. 9.1, 9.2], [7, section 11, §§1—6] [9, §§35—39].

Т.2

Main concepts

6.1. Definitions

n

The sums of the form f (ξ i ) xi (Fig.2.1) were used to estimate certain

i=1

quantities such as area, mass, distance, and volume. The larger n is and the shorter the sections xi = xi xi1 are, the closer we would expect these

approximating sums to be to the quantity we are trying to find. We are really interested in what happens to these approximating sums as all the sections in the partition are chosen smaller and smaller. This leads to the notion of the definite integral of a function over an interval, which will be defined after we introduce a measure of the “fineness” of a partition.

Definition. The mesh of a partition is the length of the longest section (or sections) in the partition.

144

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y=f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О x0=

 

a ξ1

 

x1 ξ2

 

x2

 

fn)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn-1 ξn xn=b x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2.1

 

 

 

 

 

Definition.

If f (x)

 

is a

function

defined on

[a, b]

and

the

sums

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (ξi ) xi approach

a

certain

number

as the mesh

of partitions

of

[a, b]

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sampling number ξi is

chosen in

shrinks toward

0 (no matter how the

[xi1 , xi ] ), that

certain

number

is called

the definite

integral

of

f (x)

over

[a, b] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The numbers a and b are called limits of integration; a is the lower limit and b is the upper limit. The symbol x is called the variable of integration and f(x) is

the integrand.

 

The definite integral is also called the definite integral of f (x)

from a to b

and integral of f (x) from a to b. The symbol for this number is b

f (x)dx . The

a

 

symbol comes from the letter S of Sum; the dx traditionally suggests a small

section of the x axis and will be more meaningful and useful later. It is important to realize that area, mass, distance traveled, and volume are merely applications of the definite integral. (It is a mistake to link the definite integral too closely with one of its applications, just as it narrows our understanding of number 2 to link it always with the idea of two fingers.)

Slope, velocity, magnification, and density are particular interpretations or applications of the derivative, which is a purely mathematical concept defined as

limit:

x)f (x)

 

f(x) = lim

f (x +

.

 

 

x0

x

Similarly, area, total distance, mass, and volume are just particular interpretation of the definite integral, which is also defined as limit:

b

n

f (x)dx = meshlim0

f (ζi ) xi .

a

i=1

145

 

In advanced calculus it is proved that, if f(x) is continuous, then

n

lim f (ζ i ) xi

mesh0 i=1

exists; that is, a continuous function always has a definite integral. For emphasis we record this fact, an important result in advanced calculus, as a theorem.

Theorem. Let f(x) be a continuous function defined on [a, b]. Then the approximating sums

n

f (ξi ) xi

i=1

Approach a single number as the mesh of the partition of [a, b] approaches 0.

Hence b

f (x)dx exists.

 

 

a

 

 

 

 

 

Geometrical interpretation of the definite integral. If f(x) is

 

continuous and f(x) 0 on [a,b] then b

f (x)dx can be interpreted as

 

 

a

 

the area of the region bounded by the curve y = f(x), the x-axis and the lines x = a and x = b, as indicated in fig. 2.1

6.2. Properties of the definite integral

Let f(x) and g(x) be continuous functions ant let λ1 and λ2 be the constants.

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. If

f (x) 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

f (x)dx 0 .

2. If ( a < b ) in [a; b] , then

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

f (x)dx

 

 

f (x)

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. If

f (x) g(x) for all x

 

a

 

 

a

in [a; b] ( a < b ), then

 

 

 

b

 

 

b

 

 

 

f (x)dx g(x)dx .

aa

4.If the limits of integration are equal, we have

a

f (x)dx = 0 .

a

146

ba

5.f (x)dx = − f (x)dx .

ab

 

b

b

b

 

6.

[f (x) ± g(x)]dx = f (x)dx ± g(x)dx .

 

 

a

a

a

 

 

b

b

b

b

7.

λ1 f (x)dx ± λ 2 g(x)dx = λ1 f (x)dx ± λ 2 g(x)dx .

8.

a

a

a

a

If a, b and c are numbers, then

 

 

 

 

b

c

b

 

 

f (x)dx = f (x)dx + f (x)dx .

9.

 

a

a

c

If m and M are numbers and m f (x) M

for all x in [a; b] (), then

b

m(b a) f (x)dx M (b a) if a < b ,

a

and m(b a) b f (x)dx M (b a) if a > b.

a

10. If a and b ( a < b ) are numbers. Then there is a number c between a and b such that

b

f (x)dx = f (c)(b a) .

a

A number f(c) is called a mean-value of f(x) in [a, b].

 

a

a

11. а)

f (x)dx = 2f (x)dx , if f (x) is an even function;

 

a

0

 

a

 

b)

f (x)dx = 0 , if f (x) is an odd function.

a

12.b f (x)dx = b f (t)dt.

a

a

The variable of integration is a “dummy variable” in the sense that any other variable produces the same result, that is, the same number.

13. If f (x) has integral in [a, b] and x [a; b] , then

x

а) Ф(x) = f (t)dt exists and is continuous in [a, b] ;

 

 

a

x

 

d

 

d

b)

Ф(x) =

f (t)dt = f (x) .

dx

dx

 

 

 

 

a

 

 

 

 

147

6.3. Evaluating definite integrals

6.3.1. The fundamental theorem of integral calculus by Newton-Leibniz

This section shows that there is an intimate connection between the definite integral and the derivative. This relationship, expressed in the fundamental theorem of integral calculus by Newton-Leibniz, provides a tool for computing many, but not all, definite integrals without having to form a single approximating sum. The argument will be intuitive.

Fundamental theorem. If f (x) is continuous on interval [a, b] and F(x) is any antiderivative of f (x) there, then

b

f (x)dx = F(b) F(a) .

a

Usually, F(b) – F(a) is abbreviated by writing

 

b

 

b = F(b) F(a).

 

 

f (x)dx = F(x)

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

The substitution method and integration by parts are the most general

techniques.

 

 

 

6.3.2. Substitution technique for a definite integral

Let f(x) be a continuous

function on the interval [a, b], x = ϕ(t) be a

differentiable function on the interval [α; β] , and ϕ(α) = a , ϕ(β) = b , then

 

b

β

 

f (x)dx = f (ϕ(t))ϕ′(t)dt .

 

a

α

6.3.3. Integration by parts

The integration by parts of definite integral is made according to the formula:

b

b

b

udv = uv

a

vdu,

a

a

 

where u and v are the differentiable functions of x on the interval [a, b].

 

Typical problems

Т.6

 

 

Evaluate the given definite integrals. 1. 1 (3x2 2x + 3)dx.

2

Solution. Here f(x) = 3x2 2x + 3, a = 2; b = 1. Since an antiderivative of 3x2 2x + 3 is F(x) = x3 x2 + 3x, then:

148

1 (3x2 2x + 3)dx = F(1)F(2)= (11+ 3)(8 4 6)= 21.

If we2had chosen F(x) to be

x3 x2 + 3x + C, then F(1) F(2) =

= ((11+ 3)+ C)((8 4 6)+ C)

= 21, as before. Since the choice of the value

of C is immaterial, for convenience we shall always choose it to be 0, as

originally done. Usually F(b)F(a) is abbreviated by writing: F (x)

 

 

ba.

 

 

 

 

 

Hence we have 1 (3x2 2x + 3)dx = (x3 x2 + 3x)

12 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

= (1

1 + 3) (8 4 6) = 21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

3

 

 

 

 

3

 

 

2. 3 1xdx = − 3 1xd (1x) = −

 

3 (1x)4

= −

 

 

 

 

 

 

4

 

0

 

 

(0 1)

=

 

.

 

4

4

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1+ tg2 x

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d(1+ tg x) =

 

 

(1+ tg x)

2

(1+ tg x)

2

 

 

cos

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π (1+ tg x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

+ 1 = 2 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ tg x

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

1+ 3

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ tg 3

 

 

 

1+ tg 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1cos 2x

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

dx

=

sin x

dx =

 

sin xdx +

 

(sin x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= − cos x

π

+ cos x

 

3π

= −(10) + (0 (1)) = 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Find the mean-value of

f (x) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in [2; 3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. By property 10

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2 x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (c) =

 

 

 

 

 

 

 

f (x)dx ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where f (c) is the mean-value of

 

f (x) in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[a; b] , c [a; b] .

 

 

 

 

 

 

 

We have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

d x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 1

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

f (c) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

arctg

=

3

2

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2

 

3

 

 

 

 

3 2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x + 1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

149

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

2 (arctg 5 arctg

3) = 2 arctg

3 .

 

 

 

 

 

3

3

3

 

9

Used a formula

arctg α − arctg β = arctg

α − β

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ αβ

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Show that (x4 x2 ) tg xdx = 0 . Do not evaluate the definite integral.

 

− π

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

of

integration are

symmetrical

to zero, namely if

Solution. Limits

f (x) = (x4 x2 ) tg x

is odd, by property 11 the given integral is equal to 0. We

have:

 

 

 

 

 

 

f (x) = ((x)4 (x)2 ) tg(x) = −(x4 x2 ) tg x = − f (x) ,

consequently, f (x) is the odd function.

 

 

 

 

7. Show that the substitution is not used

x = sin t to obtain the integral

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 3 1x2 dx .

 

Solution. Domain of t

0

 

 

 

[1; 1] , however the

is (−∞; ) correspondent x

interval of the integral is [0; 2] . Therefore, do not use the substitution x = sin t

to obtain the integral

In Problems 8 to 10 use the substitutions to evaluate the given definite integrals.

4 x2dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. I =

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 x=4

 

 

 

 

 

 

x=4

 

 

 

 

 

 

t = x3

1;

 

 

dt

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Case 1.

I =

 

 

 

 

2

 

 

 

=

 

 

 

 

=

 

ln

t

=

 

dt = 3x

dx;

3

t

3

 

 

 

 

 

 

 

x=2

 

 

 

 

x=2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

4

 

1

(ln 63 ln 7)=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ln

x3 1

 

=

 

ln 9.

 

 

 

3

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Case 2. Since t = x3 1, when x = 2 we have t = 7 when x = 4

 

 

 

1

63

 

dt

 

1

 

 

 

 

 

63

1

(ln 63 ln 7)=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t = 63. Thus I =

=

ln

 

t

 

 

 

=

ln 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π 2

dx

3

7

 

t

 

 

3

 

 

 

 

 

 

7

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 + cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The substitution

tg

= t

transforms the integral to

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

150

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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