Методи інтегрування

Усі методи інтегрування функцій зводять невизначений інтеграл до інтегралу, який знаходиться в основній таблиці інтегралів або, як кажуть, до табличного інтегралу. Одним із найбільш сильних методів є так званий метод підстановки. В основі цього методу лежить заміна перемінної функції. Звернемо увагу читача на те, що за t треба вибирати таку функцію t = w(x), щоб:

1. під інтегралом був явний диференціал від w(x) (w′(x)dx) або якщо даного диференціалу й немає, то його можна легко утворити за допомогою множення або ділення на стале число, відмінне від нуля;

2. інтеграл був би табличним.

Якщо одночасно ці два пункти не виконуються, то інтеграл треба обчислювати іншими методами.

Приклади

Користуючись методом підстановки, обчислити невизначені інтеграли:

Підстановка: t = sinx; dt = cosxdx.

2.

Підстановка: t = lnx; dt = .

3. .

Підстановка: t =x²; dt = 2xdx.

4. 

Підстановка: t = tg .

Інтегрування за частинами

Розглянемо дві функції u = (x), v = g(x), які на деякому проміжку (а;b) є неперервні і мають неперервні похідні першого порядку φ′(x), g′(x). Тоді функції u та v мають диференціали du = φ′(x)dx, dv = g′(x)dx, причому виконується рівність d(uv) = udv+vdu. Візьмемо від обох частин цієї рівності невизначений інтеграл. Тоді внаслідок рівності диференціалів невизначені інтеграли відрізнятимуться тільки на сталу величину. Отже, маємо рівність з точністю до сталої = – але = . Тому дістаємо формулу: = uv – . Зазначимо, що у формулі ми не пишемо сталої, адже стала міститься в інтегралі , а сума двох сталих є сталою. Формула, що написана, називається формулою інтегрування за частинами.

Приклади

Знайти невизначені інтеграли, користуючись методом інтегрування за частинами:

1. = uv– .

Введемо позначення u=x; dv=sinxdx. Знаходимо = .v = –cosx – сталої при знаходженні v не пишемо. Сталу запишемо при обчисленні інтегралу . Оскільки u є відома функція: u = x, то du = u′dx = dx. Отже, = –xcosx – = –xcosx+sinx+c. Якби ми взяли за u=sinx, то ми приклад не розв’язали б.

2.

Введемо позначення: u =lnx ; du = ; dv = xdx, v = .

3. .

Введемо позначення: u = ln²x; du = 2lnx ; dv =dx; dv = .

Невизначений інтеграл будемо інтегрувати за частинами.

Нехай u = lnx; dv = dx. Тоді du = dx, v = = x.

Отже, xlnx – = xlnx – x + с.

Остаточно знаходимо = xln²x –2(xlnx – x) + c.

4. = е^ах

Позначимо в цьому інтегралі u = e^ax , dv = sinbxdx. Звідки du = ae^axdx,

v = = – .

Тоді .

Інтеграл у правій частині цієї рівності теж обчислюється за частинами. Введемо позначення: u = e^ax; dv = cos bxdx, звідки du = e^axdx v = = = . Скориставшись формулою метода інтегрування за частинами, маємо .

Підставивши значення цього інтегралу в рівність, дістанемо:

.

У правій частині цієї рівності маємо той самий інтеграл, що у лівій. Тому, розв’язуючи цю рівність відносно інтегралу, знаходимо:

.

Визначений інтеграл

Для розгляду визначеного інтегралу, необхідно розглянути дві типові задачі, які приводять до цього поняття: обчислення площі криволінійної трапеції та роботи змінної сили.

У курсі математики середньої школи детально розглядається площа многокутника. Криволінійна трапеція – це фігура, яка в загальному випадку відмінна від многокутника. Тому треба дати визначення площі такої фігури, показати, що площа криволінійної трапеції за таким означенням існує, а потім розглянути спосіб обчислення цієї площі. Нехай маємо криволінійну трапецію (мал. 5), яка зверху обмежена графіком неперервної функції y = f(x), заданої на відрізку [a; b]. Розіб’ємо відрізок [a;b] (основу трапеції на n довільних частин за допомогою точок x₀, х₁,...х_k, х_k+1... х_n так, щоб справджувалися нерівності a = x₀ < х₁<х₂<... < x_k <х_k+1 <...< х _n = b.

в=a

x₁

x₂

x_k

x_n-1

в

Мал. 5

Через кожну точку поділу проведемо прямі, паралельні осі 0у, до перетину з графіком функції f(x). Тоді криволінійна трапеція розіб’ється на n частинних криволінійних трапецій. Розглянемо одну із таких трапецій, наприклад ту, в основі якої лежить відрізок [–x_k, х _k+1]. Оскільки функція f(x) є неперервною на відрізку [a;b], то вона є неперервною і на кожному частинному відрізку, зокрема, на відрізку [–x_k, х _k+1]. Внутрі кожного відрізка виберемо деяку точку: внутрі відрізка х₀, х₁(х₁) – точку k₁ : х₀ k₁ x₁ внутрі відрізка х₁ х₂(х₂) – точку k₂ : х₁ k₂ x₂ і т.д., внутрі відрізка х_k+1x_k(x_k) – точку k₁+1:х_k k+1 x_k і т.д. Складемо добутки f(k₁) x₁, f(k₂) x₂... Кожний такий добуток рівний площі прямокутника, основою якого є відрізок х₁, х₂, а висота – значення функції f(x) в будь-якій точці відповідного відрізку. Сума таких добутків дорівнює площі всіх прямокутників, частина із них показана на малюнку. Символ означає, що проводиться додавання всіх членів f(k_і) x_i, де i приймає значення 1, 2, 3, ..., n. Якщо кожний із відрізків достатньо малий, т.б. х₁ 0, х₂ 0 і т.д., то затушована область на малюнку приближається до площі криволінійної трапеції, дорівнює:

S = .

Таким чином, задача про обчислення площі криволінійної трапеції приводить до визначення границі суми.