Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Высшая математика - 2.Уч.-практ.пособие.pdf
Скачиваний:
126
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

 

Пример 2.15. Найти ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 +5dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

u =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2xdx

 

, v = x ]=

I =

x2 +5dx =

 

x2 +5, dv = dx, du =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

x2 +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x

 

− ∫

 

x

2

 

 

dx = x

 

− ∫

x2

+5 −5

dx =

 

x2 +5

x2 +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+5

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

+5

 

 

 

 

= xx2 +5 − ∫ x2 +5dx + 5∫ xdx2 +5 = xx2 +5 − I +5ln x + x2 +5 .

Отсюда I = 12 xx2 +5 + 52 ln x + x2 +5 +C.

2.2.5. Интегрирование рациональных функций

Теорема 2.4. Если R(x) =

P(x)

−правильная рациональная

Q(x)

 

 

дробь (т.е. степень многочлена в числителе меньше, чем степень многочлена в знаменателе), то ∫ QP((xx)) dx всегда выражается в

элементарных функциях.

Разложим Q(x) на линейные и квадратичные множители с дискриминантом, меньшим нуля:

Q(x) = (x −a1)α 1 (x −a2 )α2 …. (x −an )α n (x2 + p1x + q1)β 1 ×

×(x2 + p2 x + q2 )β 2 … (x2 + pr x + qr )β r ,

где α1, α2 ,..., αk , β 1, β2 , ..., βr – целые числа, большие или равные 1,

то R(x) может быть разложена на простешие дроби по следующей схеме:

P(x)

=

A

+

A

+ ...+

Aα

1

+ ...+

B

 

+

B

 

+

 

1

2

 

1

 

2

 

Q(x)

 

x −a

 

(x −a )2

 

(x −a )α 1

 

x −a

k

(x −a

)2

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

k

 

 

48

...+

 

 

 

 

 

 

Bα

k

 

 

 

 

 

+

 

 

 

M

1

x

+ N

1

 

 

 

+

 

 

 

 

 

M

2

x + N

2

 

 

 

+…+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −a

k

)α k

 

 

 

x2 + p x + q

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2

+ p x + q )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

M β

x + Nβ

1

 

 

 

+...

 

+

 

 

 

 

 

R x + S

 

 

 

 

 

+...+

 

 

 

 

 

Rβ

x + Sβ

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

(x2 + p x

+q )β 1

 

 

x2 + p

x + qr

 

 

(x2 + p

 

x

+ q

r

)β r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где A1, A2 ,...M1, N1,...Rβ

r

, Sβ r

− некоторые числа, называемые не-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определенными коэффициентами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегралы от простейших дробей вычисляются следующим

образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ∫

 

 

 

 

A

 

 

 

dx = A∫

d(x −a)

= Aln

 

x −a

 

 

+C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x −a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x −a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например,

 

 

∫

 

3dx

 

 

 

= 3ln

 

 

x +5

 

 

+C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −a)−k +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ∫

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

dx = ∫

 

d(x −a)

= A∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −a)k

 

(x −a)

 

 

 

 

dx =

A

 

 

 

 

 

+C =

 

 

(x −a)k

 

 

 

 

 

 

 

−k +1

 

 

 

 

 

 

 

= ∫ A

 

(x −a)−k +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+C =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−k +1

1−k

(x −a)k −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например,

 

 

∫

 

 

4dx

 

 

 

=

4

(x −2)

−2

+C = −

 

 

 

2

 

 

 

+C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −2)3

 

 

 

 

 

−2

 

 

 

 

 

(x −2)2

 

 

 

 

 

 

3. ∫

 

 

 

 

 

Mx + N

 

 

dx = ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mx + N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

=

x +

 

 

= t, dx = dt,

 

x

2

+ px +q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x +

)2 + q

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mt + N − Mp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mtdt

 

 

 

 

N − M

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

−

 

 

 

= a2

 

> 0

 

 

 

=

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

dt =

 

 

 

 

 

−

∫

 

 

 

 

 

2

dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

2

+ a

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

t

2

 

+ a

2

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ t + a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

=

M ln

 

t2 + a2

 

+(N − Mp)arctg

t

+C = M ln(x2

+ px + q) +

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

a

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

2N − Mp

 

 

1

 

arctg

2x + p

 

 

+C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4q − p2

 

 

 

 

4q − p2

 

 

 

4. Интегралы вида ∫

 

 

Mx + N

,

 

где k ≥ 2, вначале разби-

 

 

(x2 + px + q)k

 

 

ваются на два интеграла, один из которых вычисляется подстановкой x + 2p = t , второй – этой же подстановкой, потом интегрированием по частям и понижением порядка.

Пример 2.16.

Найти ∫

x3 −5

 

dx.

x2 −6x +5

Решение. Поскольку степень числителя выше степени знаменателя, то вначале выделяем целую часть алгебраической дроби,

деля числитель на знаменатель:

 

x3 −5

 

= x +6 +

31x −35

.

x2 −6x

+5

x2

−6x +5

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

x3 −5

dx. = ∫ (x

+6)dx + ∫

 

31x −35

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

+6x + I,

x2 −6x +5

x2 −6x +5

2

где

I = ∫

31x −35

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 −6x +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

31x −35

 

=

 

A

 

+

 

 

 

B

. Тогда приводя к общему зна-

 

 

 

 

 

 

x −1

 

x −5

 

 

x2 −6x +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

менателю, получим

 

 

31x −35

 

 

=

 

A(x −5) + B(x −1)

.

 

 

 

 

 

 

x2 −6x +5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −1)(x −5)

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда 31x −35 = (A + B)x −5A − B . Для нахождения неопре-

деленных коэффициентов A и B составим систему

 

 

 

 

 

 

 

A + B = 31,

4A = 4,

 

A =1,

B = 30.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5A + B = 35,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

Значит, I = ∫ x1−1 dx + Окончательно получим

∫

x3 −5

x2

 

dx =

 

+

x2 −6x +5

2

∫ x30−5 dx = ln x −1 +30ln x −5 +C.

6x +ln x −1 +30ln x −5 +C.

Пример 2.17.

Найти

 

∫

9x3 −30x2 + 28x −88

dx .

 

 

(x2 −6x +8)(x2 +4)

 

Решение. Поскольку x2 −6x +8 = (x −2)(x −4),

то разложение

подынтегральной функции на простейшие дроби

имеет следую-

щий вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9x3 −30x2 +28x −88

=

A

 

+

B

 

+

Cx

+ D

=

 

 

 

(x −2)(x −4)(x2

+ 4)

x −

2

x −

4

x2

+ 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(x −4)(x2 + 4) + B(x −2)(x2 + 4) +(Cx + D)(x −2)(x −4)

;

 

 

(x −2)(x

−4)(x2

+ 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A + B +C)x3 +(−4A −2B −6C + D)x2 +(4A +4B +8C −6D)x +

+(−16A −8B +8D) = 9x3 −30x2 + 28x −88.

Приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях x : x3 : A + B +C = 9;

x2 : −4A −2B −6C + D = −30;

x: 4A + 4B +8C +6D = 28;

x0 : −16A −8B +8D = 88.

Решая эту систему уравнений, находим

A = 5, B = 3, C =1, D = 2.

Вместо того, чтобы сравнивать коэффициенты при одинаковых степенях x , можно при нахождении неопределенных коэффи-

51