Зимина О.В., Кириллов А.И., Сальникова Т.А. Высшая математика (Решебник)
.pdf150 |
|
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
|||||
Ответы. |
|
|
|
|
|
|
|
1. |
хе^-\-С. |
2. |
X arcsinж + |
\ / l |
- |
ж^ + С. |
|
3. |
2х sin а: — ж"^ cos а: 4-2 cos ж + |
С |
|
||||
4. |
{х + 1)^ sinar + 2{х + 1) cos ж + С. |
|
|||||
5. |
— (21па: - |
1) + С |
6. - |
ж ctg ж-f In sin х + С. |
|||
7. |
— ( s i n а: + 2 cos ж) + |
С |
|
|
|
||
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
^2 |
2 |
1 |
|
|
|
|
8. |
— a r c t g х - |
-х'^ |
-\- - |
1п(х^ + 1) + |
а |
||
|
3 |
6 |
6 |
|
|
|
|
9. |
^ (sin In а: - cos In х) -f С. |
10. е"^ {х^ - 2а; + 2) + С. |
7.3.Интегрирование рациональных функций с простыми вещественными корнями знаменателя
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти неопределенный интеграл
I |
апх"^ + an-ix"^'^ |
+ |
... + aix -f ао |
|
|
|
brnx"^ + b^_ix"-i |
+ ... + bix + Ь( c?x. |
|||
ПЛАН РЕШЕНИЯ. |
|
|
|
|
|
1. Введем обозначения: |
|
|
|
||
Рп{х) |
= апх'^ + an-ix"^'^ |
4- ... + aix + ао, |
|||
Qm{x) |
|
= bmX"^ + bm-lX'^''^ |
+ . . . + biX + |
Ьо. |
|
Сравним степени числителя Рп{х) |
и знаменателя |
Qm{x). |
Если подынтегральная функция — неправильная рациональная дробь, т.е. степень числителя п больше или равна степени знаме нателя 771, то сначала выделяем целую часть рациональной функции, поделив числитель на знаменатель:
-J±± ^ М„_гп{х) + у ^ ^ |
{к<т). |
7.3. Интегрирование рациональных функций |
151 |
Здесь многочлен Рк[х) — остаток от деления P-nip^) на Qrui'^)-, причем степень Рк{х) меньше степени (5т(^)-
2. Разложим правильную рациональную дробь
Pk{x)
Qm{x)
на элементарные дроби. Если ее знаменатель имеет простые вещест венные корни Г1,Г2,...,Г^, т.е. Qm{x) = {Х - ri){x - Г2) ...(ж - Гт), то разложение на элементарные дроби имеет вид
Рк{х) _ |
Ах |
А2 |
|
Am |
Qrn{x) |
X-ri |
Х-Г2 |
'" |
Х-Гт' |
3.Для вычисления неопределенных коэффициентов Ai, ^ 2 , . . . , Am приводим к общему знаменателю дроби в правой части тождества, после чего приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях х
вчислителях слева и справа. Получим систему т уравнений с т неизвестными, которая имеет единственное решение.
4.Интегрируем целую часть (если она есть) и элементарные дроби, используя табличные интегралы, и записываем ответ
''"(^' ^
/ Wm |
\Х) |
|
= F{x) + Ailn\x~ri\ |
+ Л2 1п|а:-Г2| -h ... + Л^ In |ж - г^| + С, |
|
где F{x) |
= JМп-т{х) dx — многочлен степени п — т-\-1. |
|
ПРИМЕР. Найти неопределенный интеграл |
||
|
|
2х^ - 40а; - 8 |
|
/ |
х{х + А){х-2) dx. |
РЕШЕНИЕ.
1.Подынтегральная функция — неправильная рациональная дробь, так как п = т = 3. Выделим целую часть:
2х^ - 40ж - 8 _ |
4x2 + 24х + 8 |
х{х + 4)(ж - 2) |
х{х + 4)(х - 2) * |
2. Так как знаменатель последней дроби имеет три различных ве щественных корня X = 0^ X = —4 и ж = 2, то ее разложение на
152 |
Гл. 7. Неопределенный |
интеграл |
|||||
элементарные |
дроби имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
4^2 + 24а; + 8 _ |
Ai |
|
|
А2 |
|
A3 |
|
х{х-\-4:){х - 2) |
X |
~1 |
|
:—7 |
"Ь |
х - 2' |
|
|
a:-f4 |
|
3. Чтобы найти коэффициенты ^ 1 , ^ 2 , ^ 3 , приводим к общему знаменателю дроби в правой части тождества:
4а;2 + 24^ + 8 |
_ Ai{x'^ + 2ж - 8) -f ^2(^2 - |
2х) |
+ Аз{х'^ + 4ж) |
х{х + 4){х - 2) |
х{х + 4)(а; - |
2) |
|
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях слева и справа, получим систему трех уравнений с тремя неизвест ными:
A i + |
^ 2 + Аз = 4, |
2Ai - |
2А2 + 4Аз = 24, |
- 8 ^ 1 |
= 8. |
Эта система имеет единственное решение Ai = — 1, А2 = — 1, A3 = 6. Следовательно, подынтегральное выражение имеет вид
2ж^ - |
40ж - 8 |
^ / |
1Л |
/ |
1 |
|
|
х{х + |
4:){х-2) |
\ |
х) |
\ |
а: + |
4 / |
х — 2 |
4. Интегрируем целую часть и элементарные дроби, используя табличные интегралы:
/• 2 ж З - 4 0 х - 8 , |
|
[^ , |
|
|
П |
, |
|
|
/ ^ 1 |
|
|
, |
|
f |
^ |
, |
||||
/ |
""7 |
7Г} |
|
;:7 dx = |
J |
/ 2ах-\- |
J |
I |
—ах-^ |
J х + А |
ах— |
|
х-2 |
ах = |
||||||
J |
х{х |
+ А){х-2) |
|
|
|
|
X |
|
|
J |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
= |
2ж 4- In |а:| + In |х -f 4| - |
6 In |ж - |
2| + С. |
|||||||||||
|
|
Г 2x^-i0x-S |
|
|
, |
|
^ |
, |
|
|х||д: + |
4| |
^ |
|
|
|
|||||
|
Ответ. / |
———— |
|
-г- dx = 2x + In |
|
{х - |
—^ + С. |
|
|
|||||||||||
|
|
J |
х(ж + 4)(а:-2) |
|
|
|
|
|
|
2)^ |
|
|
|
|
|
|||||
|
Условия ЗАДАЧ. Найти |
неопределенные |
интегралы. |
|
|
|||||||||||||||
|
1 |
[ |
^^ + 2^ + 6 |
rf^ |
|
2 |
[ |
|
|
|
|
'- |
|
|
|
dx |
||||
|
• |
J {х-1){х-2){х-4) |
|
|
|
|
|
• |
J |
|
{х-1){х |
|
+ 2){х + 3) |
|
||||||
|
|
f |
х^ + 1 |
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
J ( x 2 - l ) ( x 2 - 4 ) |
У a;4-13a;2 + 36 |
7.4. Интегрирование рациональных функций |
153 |
|
|
|
^ |
-3x |
2 + 2 |
|
|
Г ж^ + Зж^ |
|
dx. |
|||
|
J |
^ |
2 |
^ |
|
|
|
|
|
||||
Ч |
2ж^ - |
Sx^ + 4х - 4 |
, |
|||
^ |
, |
|||||
7. |
/ |
; |
гт^ |
TT-dx. |
||
|
|
х{х — 1){х - 4) |
|
,Г х^ + X
J х(х-2)|2)(х + 2) *
х^ + 2x2 - 15х + 18 |
dx. |
^' J х(х-3)(х + 3) |
|
|
4 - |
4х^ - |
8x2 _|- 5х - 10 |
|
|
|
||
^• |
J' |
{х' |
1)(х - з)(х + 2) '^''- |
|
|
|
|||
. 0 . / |
2х^ - |
4а;'* + бх^ - ISx^ + 8 dx. |
|
|
|||||
|
|
|
ж^ - |
5х^ + 4х |
|
|
|
|
|
Ответы. |
|
|
|
|
|
|
|
||
1. |
In |
{x-l)^{x-Af |
|
+ С. |
|
1 |
| ( х - 1 ) ( х + 3)3| |
||
|
^-12 ^^—^^Tw— |
||||||||
|
|
( х - 2 ) 7 |
|
|
|||||
3. i i n i ^ + l U ^ ^ + a |
|
1 |
(^-зЯх + 2|3 |
||||||
|
60 |
(х + 3 ) 2 | х - 2 | 3 ^ |
|||||||
|
12 |
(х - 1)4|х + 2|5 |
|
|
|||||
5. |
— + х^ + In х - 1 |
|
|
|
|
|
|||
|
4 |
|
х + 1 |
|
|
|
|
|
|
6. |
х^ |
х^ |
|
|
х2(х-2)5 |
+ С. |
|
||
— + — +4 х + 1п |
(х + 2)3 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7. |
2х + 1п |
( х - 4 ) ( х + 1)^ |
+ С. 8. х + 1п (х + 3)3(х-3) + С. |
||||||
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
9. |
х^ + In |
(х - 1)2(х + 2) |
+ С. |
|
|
|
|||
|
|
|
X — 3 |
|
|
|
|
||
10. х^ + In |
х2(х-2)2(х + |
1)3(х-1) |
+ С. |
|
|||||
|
|
|
|
(х + 2): |
|
|
|
7.4.Интегрирование рациональных функций с кратными вещественными корнями знаменателя
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти неопределенный интеграл
I а„х" + an-ix""'^ + ... + ахх + ао dx. brnX"^ + Ь^_1Х^-1 + ... + bix + Ьо
154 |
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
ПЛАН РЕШЕНИЯ.
1.Введем обозначения:
Рп{х) — апХ^ + an~ix'^~^ + ... + aix + ао,
Сравним степени числителя Рп{х) и знаменателя Qmix)-
Если подынтегральная функция — неправильная рациональная дробь, т.е. степень числителя п больше или равна степени знаме нателя т , то сначала выделяем целую часть рациональной функции, поделив числитель на знаменатель:
Здесь многочлен Pk{x) — остаток от деления Рп{х) на Qmix), причем степень Pk{x) меньше степени Qmix)-
2. Разложим правильную рациональную дробь ——-^—г на эле-
Qm{x)
ментарные дроби. Если ее знаменатель имеет вещественные корни Г1, Г2,..., Г5 кратности ni, П2,. •., rig соответственно, т.е.
Qm{x) - (Х - П)"^ {Х - Г2Г • • • (^ - ГтГ' ,
ТО разложение на элементарные дроби имеет вид
Рк{х) _ |
All |
М2 |
|
|
^ini |
|
|
|
|
|
Qni[x) |
x-Ti |
[x-TiY |
'" |
|
(a:-ri)^i |
|
|
|
||
|
ж - |
Г2 |
(a: - гг)^ |
* |
(ж - |
гз)"^ |
|
|
||
|
|
|
, |
|
Asl |
|
As2 |
. |
, |
^ s u s |
|
|
|
. . . H |
X — Tg |
|
{x — Гз)"^ |
. . . i - • |
{x — r^)"'^ |
||
|
|
|
|
|
r 7 |
T -f- |
|
3. Чтобы найти коэффициенты Ац, Ai2,..., Asn^ ? приводим к обще му знаменателю дроби в правой части тождества, после чего прирав ниваем коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях слева и справа. Получим систему ni+n2 + .. --{-TIS уравнений с ni-f П2 + .. .Ч-Пд неизвестными, которая имеет единственное решение.
7.4. Интегрирование рациональных функций |
155 |
4. Интегрируем целую часть (если она есть) и элементарные дро би, используя табличные интегралы, и записываем ответ
/ |
Qmix) |
|
|
|
|
= |
F(x) + A n In I x - n l + ^ i M H + |
... + - |
,f^"' |
. |
, |
|
X - ri |
[1 - |
ni)[x |
- ri)^^ |
^ |
где F{x) = f Mn-rn{x) dx — многочлен степени n — m + 1. ПРИМЕР. Найти неопределенный интеграл
х^ |
-f бх^ + 13а: + |
б |
dx. |
/ |
(х-2)(а: + 2)з |
|
РЕШЕНИЕ.
1.Подынтегральная функция — правильная рациональная дробь.
2.Разложим ее на элементарные дроби. Так как знаменатель имеет два действительных корня: ri = 2 кратности единица и Г2 = —2 кратности три, разложение на элементарные дроби имеет вид
х2 + ба:2 + |
13ж + б |
All |
^21 |
^22 |
^23 |
( х - 2 ) ( х |
+ 2)з |
х-2 |
х + 2 |
(ж+ 2)2 |
(х + 2)з' |
3. Чтобы найти коэффициенты Л ц , . . . , А23, приводим к общему знаменателю дроби в правой части тождества:
х^ |
+ бж^ + 13ж + б _ |
|
( х - 2 ) ( х + 2)3 " |
^ |
Aii(x + 2)^ + ^21(3: - 2)(х + 2)2 + А22(а: - 2)(а: + 2) + ^23(0: - 2) |
|
( х - 2 ) ( х + 2)з |
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях слева и справа, получим систему четырех уравнений с четырьмя не известными
All + |
А21 |
= 1, |
6А11 + 4^21 + А22 |
= б, |
|
12Лп - |
2^21 + |
^23 = 13, |
8^11 - 4^21 - 4^22 - 2^23 = б.
156 Гл. 7. Неопределенный интеграл
Эта система имеет единственное решение:
Ail = l, ^21= О, ^22= О, ^23 = 1.
Следовательно, подынтегральное выражение имеет вид
х^ + бх^ + 13а: + 6 |
1 |
1 |
(ж-2)(х-Ь2)з |
х-2 |
+ (ж 4-2)3' |
3. Интегрируем сумму элементарных дробей, используя таблич ные интегралы:
/ |
т: dx+ |
7 |
:^тт dx = Ь |х - |
21 - |
-ттт + С. |
|
J х-2 |
У |
(х + 2)з |
' |
' 2(х + 2)2 |
Ответ. |
|
х^ + бх^ + 13х + 6 |
.„ + С. |
/ |
/ —• ' ~ „,,'—^^--—^dx—bi\x-2\-^, |
||
|
|
|
Условия ЗАДАЧ. Найти неопределенные интегралы.
1 - |
-т? |
7Т7 Trdx. |
|
у |
х2(х + 1)(а;-1) |
||
f |
x' + l |
|
dx. |
J |
x(x-l)3 |
|
fx^ + l
у( x - l ) 3 ( x + 3) dx.
/• |
x2 |
- 2x + 3 |
• У |
x ( x |
- l ) 2 ( x - 3 ) dx. |
a;2 - X 4-1dx.
Ответы.
х^ - бх^ + 9х + 7
2. |
/ • |
( х - 2 ) 3 ( а ; - 5 ) |
dx. |
||
|
У |
|
|
||
4 |
/- |
2 ^ 2 |
|
|
|
x' + |
dx. |
|
|||
6' |
J |
(X-1)(X + 1)2 |
|
|
|
|
J |
2)2 |
|
|
|
8• |
x2(x5x3 _- 172.2 + 18a; - |
5 |
|||
У |
(a: l)3(x - |
|
2) |
dx. |
|
10 |
У {x-l)3(x + 1) dx. |
|
1. |
\ - |
X ~ 1 |
+ - + a |
2. In |x - 5| + 2(x - 2У + a |
x + 1 |
||||
3. |
In |
x - 1 |
|
+ a |
X |
( x - l ) |
4. 1,„|(. + 1)(.-,)3| + _ 1 - ^+ c.
|
|
7.Ъ. Интегрирование рациональных функций |
157 |
||
5. |
тгт: Ь |
х-~1 |
4(ж-1)2 |
8(ж - 1) + а |
|
|
32 |
ж + 3 |
|
||
6. |
-7 In |
X |
1 |
-^ + С. |
|
а : - 2 |
|
|
|||
|
4 |
4(ж - 2) |
2ж |
|
|
7. linK^-fc:^-bх--1i. + a |
|
||||
|
|
|
|
1 |
|
8. |
1п|(х-1)2(а;-2)^| + 2(х - 1)2 + С. |
|
|||
9. |
- In |
ж + 1 |
2{х - 1) |
+ С. |
|
|
4 |
х-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
^»Ц^-2 ^^|<^-1)"(^+1)|-„,1 „, „,9 ,, + а
7.5.Интегрирование рациональных функций с простыми комплексными корнями знаменателя
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти неопределенный интеграл
С апх'^ + an-ix"^'^ + ... + aix + QQ , J bmx"^ + Ьт-гх""-^ -f ... + bix + Ьо
ПЛАН РЕШЕНИЯ.
1. Введем обозначения:
Рп{х) |
= апХ^ + an-ix^~^ |
+ ... + aix + ао, |
Qmix) |
= ЬтХ"^ + bm-lX"^'^ |
+ . . . + 6iX + Ьо- |
Сравним степени числителя Рп{х) |
и знаменателя (5тп(2^)- |
Если подынтегральная функция — неправильная рациональная дробь, т.е. степень числителя п больше или равна степени знаме нателя т , то сначала выделяем целую часть рациональной функции,
поделив числитель на знаменатель: |
|
|
^^(^) |
=.М._^(х) + ^ ^ |
(А:<т). |
Qrn{x) |
Qm{x) |
|
158 |
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
Здесь многочлен Рк{х) — остаток от деления Рп{х) на Qmi^)^ причем степень Рк{х) меньше степени Qmix)-
2. Разложим правильную рациональную дробь
Рк{х)
Qm{x)
на элементарные дроби. Если ее знаменатель имеет простые комп лексные корни Гк = Uk :t ivk^ т.е.
Qm{x) = (Ж^ + PiX + qi){x^ -f P2X + 92) • • . {X^ + PsX + ^5),
где
ж^ -^PkX -\-qk = [x- {uk + ivk)][x - {uk - ivk)],
TO разложение на элементарные дроби имеет вид
Рк{х) _ |
Aix + Bi |
А2Х 4- |
Б2 |
AsX + Bs |
Qrn{x) |
x'^-\-pix-\-qi |
x'^-\-p2X |
+ q2 '" |
x"^-\-PsX-\-qs |
3.Для вычисления неопределенных коэффициентов Ai, А2,..., А5,
Б1 , . . . , Bs приводим к общему знаменателю дроби в правой части тождества, после чего приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях слева и справа. Получим систему 2s уравне ний с 2s неизвестными, которая имеет единственное решение.
4.Интегрируем элементарные дроби вида
Ах + В х"^ Л-рх-\- q
Выделяем в знаменателе полный квадрат {х + р/2)^ + (^ — Р^/4) (по скольку q—p'^/A > О, можно обозначить д—р^/4 = а^) и делаем замену переменной t = х — р/2. Получим
J x^+px + q |
J |
f2 + a2 |
|
|
|
|
J |
t^+a^ |
J |
t^-^a? |
|
= |
— ln(r + or) Ч- -^ |
|
arctg - = |
||
|
2 |
|
|
a |
a |
7.5. Интегрирование рациональных функций |
159 |
||||
^ |
1^/ |
2 , ^^ , .N , |
Ар/2 + Б |
^^ |
ж + р/2 |
— ^ |
1п(а: |
+ т е + 0')Н |
, |
arctg |
, |
5. Складываем результаты интегрирования целой части (если она есть) и элементарных дробей и записываем ответ.
ПРИМЕР. Найти неопределенный интеграл
2ж^ + Зж^ + Зх + 2 |
dx. |
/ (а:2 + х + 1)(х2 + 1) |
РЕШЕНИЕ.
1.Подынтегральная функция — правильная рациональная дробь.
2.Разложим ее на элементарные дроби. Знаменатель имеет две пары комплексно-сопряженных корней: ri^2 = —1/2±г\/3/2 и гз,4 = i^- Следовательно, разложение на элементарные дроби имеет вид
2х^ + Зж2 + Зж + 2 |
Aix + Вх |
А2Х + Бз |
(а;2 + ж + 1)(х2 4-1) |
х2 + х + 1 |
х2 + 1 |
3. Чтобы найти коэффициенты Ai, ^2, J5i, ^2, приводим к общему знаменателю дроби в правой части тождества:
2х^ + 3x2 + Зж + 2 ^ (^^д, _^ Bi)(x2 + 1) -f- (А2Х + Б2)(х2 -f X + 1)
( х 2 + Х + 1)(х2 + 1) |
( х 2 + Х + 1)(х2 + 1) |
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях слева и справа, получим систему четырех уравнений с четырьмя не известными
f А1 + А2 |
= 2 , |
|
^2 + ^ 1 + 5 2 = |
3, |
|
^ 1 + ^ 2 |
+ ^2 = |
3, |
Б 1 + Б 2 |
= 2 . |
Эта система имеет единственное решение
A i - 1 , А2 = 1, Б1 = 1, Б2 = 1.
Следовательно, подынтегральное выражение имеет вид
2х^ -h 3x2 4- Зх 4- 2 |
д, _^ ;|^ |
^_^1 |
( x 2 - h X + l ) ( x 2 + l ) |
x 2 - f x - f l |
Х2 + Г |