- •Часть 2
- •Предисловие
- •I. Основы интегрирования
- •§ 1. Табличное интегрирование
- •Простейшая таблица неопределённых интегралов
- •Основное правило табличного интегрирования:
- •§ 2. Подведение под знак дифференциала
- •Примеры подведения под знак дифференциала
- •§ 3. Интегралы от функций, содержащих квадратичное выражение
- •§ 4. Замена переменной в неопределённом интеграле
- •§ 5. Интегрирование по частям
- •§ 6. Замечание о двух способах интегрирования
- •§ 7. Интегрирование дробно-рациональных функций
- •Замечание об универсальном методе неопределённых коэффициентов
- •§ 8. Определённый интеграл
- •Вычисление площади плоской фигуры
- •§ 9. Понятие несобственного интеграла
§ 2. Подведение под знак дифференциала
Метод подведения под знак дифференциала редко приводится в литературе, поэтому вначале покажем, почему он выгоден.
Нередко в подынтегральной функции можно увидеть 2 фрагмента, один из которых похож на производную другого. Например,
а) в интеграле числитель x похож на производную от : ;
б) интеграл можно представить как , где ;
в) функция в интеграле – это .
Подобные интегралы часто предлагают находить, заменив новой переменной функцию, производная которой обнаружена. Так, для указанных интегралов
а) если , то , тогда и , откуда
;
б) поскольку , то , тогда и , поэтому
.
Более подробно метод замены изложен в § 4.
Однако вычисление 3-го интеграла при помощи замены уже связано с трудностями. Пусть, заметив, что , мы заменили .
Тогда и . Выразить через t можно так:
( , поэтому ). Подставим:
.
В результате громоздких действий практически всё сократилось и получился простой табличный интеграл. Возникает вопрос, нельзя ли было прийти к нему быстрее, если почти ни одно выражение не понадобилось.
Действительно, есть более короткое решение:
,
тогда, заменив , сразу получаем интеграл
.
Таким же образом можно было найти интегралы
а)
;
б) .
Здесь действия показаны очень подробно, и половину из них можно пропустить. Особенно коротким сделает решение следующая
Таблица основных дифференциалов
; |
; |
; |
; |
|
; |
; |
; |
; |
; |
; |
. |
Примеры подведения под знак дифференциала
1) ;
2) ;
3) ;
4) ;
5) ;
6) ;
7) ;
8) ;
9) ;
10) .
ПД1. Найдите интегралы
1) а) ; б) ; в) ; г) ; д) ;
е) ; ж) ; з) ; и) ; к) ;
2) а) ; б) ; в) ; г) ; д) ;
е) ; ж) ; з) ; и) ; к) ;
3) а) ; б) ; в) ; г) ; д)
е) ; ж) ; з) ; и) ; к) ;
4) а) ; б) ; в) ; г) ; д) ;
е) ; ж) ; з) ; и) ; к) ;
5) а) ; б) ; в) ; г) ; д) ;
е) ; ж) ; з) ; и) ; к) .
§ 3. Интегралы от функций, содержащих квадратичное выражение
При интегрировании функций, содержащих выражение , поможет формула . Например,
а) ;
б) ;
в) .
Полученную скобку удобно обозначить новой буквой и перейти к интегралу по этой переменной (дифференциалы новой и старой переменных совпадут).
Коэффициент перед квадратом лучше выносить за скобку:
,
а затем, если возможно, и за знак интеграла. Так,
; .
Цель замены – перейти к интегралу без линейного слагаемого , поскольку интегралы, содержащие только , находятся проще, и часто – по таблице. При этом важно помнить, что , , и т.п.
А именно (см. § 2),
;
;
,
где a – любое число, и число . Кроме того, при
;
,
где .
Замечание 1. После замены часто появляются интегралы , или . Их можно найти так:
,
аналогично во 2-м и в 3-м случае.
Однако интегралы вида достаточно сложны. Воспользуйтесь готовыми формулами
;
(проверьте дифференцированием, что это действительно так).
КИ1. Найдите при помощи равенства и замены :
1) ;
2) ;
3) ;
4) .
Пример 1 (для краткости обозначено как .
а) ;
б) .
При поиске и учли, что и соответственно, и применили основное правило табличного интегрирования.
КИ2. Найдите интегралы, разложив каждый на сумму интегралов, один из которых – табличный, а другой аналогичен найденным в задании КИ1:
1) ;
2) ;
3) ;
4) .
Пример 2. Найдём интеграл , разложив на сумму двух:
.
Ответ: (модуль не нужен, поскольку всегда ).
Пример 3. Возьмём таким же образом интеграл :
.
Рациональнее всего найти интегралы так:
а) ,
где учли, что ;
б) .
Тогда , где .
Ответ: .
Замечание 2. В дальнейшем часто придётся разбивать интеграл на 2 или 3 интеграла, в каждом из которых появляется константа ( , и т.д.). Для краткости будем подразумевать (но не указывать) константы в каждом отдельном вспомогательном интеграле (или указывать, но не сопровождать номером), а записывать будем лишь общую константу C в ответе. При этом всегда C – некая линейная комбинация .
КИ3. Получив в знаменателе полный квадрат и сделав замену, найдите
1) ;
2) ;
3) .
Пример 4. Заметив, что
,
заменяем , тогда и .
Подставим в интеграл:
.
Пример 5.
Поскольку , можно сделать замену , при которой и . Подставим:
.
Пример 6.
Здесь , заменяем , откуда и . Подставим:
,
где . Разобьём интеграл на два:
.
Так же, как в предыдущих примерах,
,
а 2-й интеграл – табличный: .
Итак, , где . Тем самым
.
Пример 7.
Теперь , замена , поэтому и .
Переходим к интегралу от новой переменной:
,
где .
Найдём отдельно
а) ;
б) ;
в) (табличный интеграл).
Умножим 2-й результат на 7, 3-й на 10, соберём подобные слагаемые и вернёмся к старой переменной:
.
КИ4. Найдите интегралы от иррациональных функций:
1) ;
2) ;
3) .
Пример 8. Найдём . Похожий интеграл без корня уже найден выше (пример 6), и достаточно на соответствующем шаге добавить корень:
,
где . Разбиваем
и находим
а) ;
б) .
Таким образом, , где .
Ответ: .
Пример 9. Полный квадрат удобно получить так:
,
где . Тогда
.
Заменим . При этом и :
.
Действуем так же, как в примере 8:
а) ;
б) ,
.
Ответ: .
Замечание 3. Нельзя из-под корня выносить знак «–» или любой отрицательный общий множитель: ; , и т.д. В примере 9 показан единственно возможный правильный способ действий.
Пример 10. Посмотрим, что изменится, если в примере 9 поставить квадрат: найдём . Теперь после тех же замен окажется, что
.
Как обычно,
,
и 2-й и 3-й интегралы находятся так же, как в примере 9:
;
.
Согласно указаниям на стр. 19, 1-й интеграл можно преобразовать так:
,
где снова , а
.
Новый интеграл находят или тригонометрической подстановкой , или повторным интегрированием по частям, взяв и . Воспользуемся готовой формулой (стр. 19):
.
Умножим все интегралы на соответствующие им коэффициенты и соберём вместе:
,
в ответе приведём подобные слагаемые.
Ответ: .