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
☆

б) ∫

в) ∫

= −

г) ∫

= ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 d(x

 

+1)

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∫

 

 

 

 

 

 

=

2 arctg(x

 

+1) +C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 +1)2 +1

 

 

 

 

 

x4 +2x2 +2

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

= ∫ (ctg x)

−1

3

 

 

 

 

dx

= −∫

(ctg x)

−1

3 d(ctg x) =

 

 

 

sin2 x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2 x

 

 

 

 

ctg x

 

 

 

 

(ctg x)

−1

3

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+C

= −

3 ctg

2

x +C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

3 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

= ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

x2 + x −2

 

x

2

+

2 x

1

 

 

 

1

2

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+

2

 

−

 

−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d x

+

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

x + 2 − 2

 

 

 

1 ln

 

x −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

ln

+C =

 

+C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

3

 

2

 

 

 

2

 

 

 

x +

1

+

3

 

 

 

3

 

 

x + 2

 

 

x +

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.Основные методы интегрирования

Ксожалению, общего метода интегрирования нет, тем не ме-

нее, ниже мы укажем некоторые приемы вычисления интегралов. Сравнительно в редких случах удается дать правила для интегрирования.. Но и тогда, когда имеются эти правила, они вовсе не являются наилучшим, или наиболее экономным путем. Вычисление чаще всего может быть выполнено не единственным способом (это своеобразное искусство!). Владение операцией интегрирования (как и многими другими математическими операциями) заключается не только в знании того как можно в конце концов взять интеграл, но и в умении сделать это с наименьшей затратой времени и труда.

39

2.2.1. Замена переменной в неопределенном интеграле

Во многих случаях введение новой переменной интегрирования позволяет свести нахождение данного интеграла к нахождению табличного интеграла. Такой метод называется методом под-

становки или методом замены переменной.

Теорема 2.1. Пусть требуется найти интеграл ∫ f (ϕ(x)) ϕ′(x) dx , где подынтегральная функция непрерывна и из-

вестно, что ∫ f (t) dt = F(t) +C . Тогда

∫ f (ϕ(x)) ϕ′(x) dx = ∫ f (φ(x)) dφ(x) =F(ϕ(x)) +C.

Теорема 2.2. Пусть требуется найти ∫ f (x)dx , где f (x) −непрерывная функция. Если φ (t) −строго монотонная функция, име-

ющая

 

непрерывную

производную

φ′ (t) , и

 

при

x =φ (t),

dx =φ (t) dt

справедливо равенство

f (x) = f ( φ (t)) = g(t) ,

причем

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ g

(t)

ϕ

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t) dt = G(t) +C , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ f (x)dx = G(ψ (x)) +C,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ψ (x)

– обратная функция для функции x = φ (t) .

 

 

 

 

 

Полезно запомнить формулу:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

f ′(x)

 

dx = ∫

df (x) = ln

 

f (x)

 

+C

 

 

 

 

 

 

 

(2.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С помощью этой формулы можно вычислять, например, инте-

гралы вида

∫

 

tg x dx,

∫ ctg x dx,

∫

 

dx

 

,

 

a ≠ 0,

 

а так же и дру-

ax +b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos xdx

 

 

 

 

 

 

 

гие

интегралы.

Например,

 

 

 

∫ ctg x dx = ∫

= ln

 

sin x

 

+C;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

dx

 

 

= 1

∫

 

3dx

=

1 ln

 

3x −2

 

+C;

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x −2

 

3

 

 

3x −2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x

2

−2

 

 

 

(x

3

 

−2x

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

dx = ∫

 

dx

 

= ln

x

 

−

2x +1

+C.

 

 

 

 

 

x3 −2x +1

x3 −2x +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

Пример 2.4. Используя метод подстановки, найти интеграл

∫ x dx 2 x .

1+ln

Решение. Выполним подстановку ln x = t, d(ln x) = dt, 1x dx = dt. Тогда исходный интеграл примет вид

∫ 1dt+t2 = ln t + 1+t2 +C = ln ln x + 1+ln2 x +C .

 

Пример 2.5. Найти неопределенный интеграл ∫

 

 

 

x3

dx ме-

 

 

(x −1)2

тодом подстановки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Пусть x = t +1,

 

 

dx = d(t +1), dx = dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

x3

 

 

dx

= ∫

(t +1)3

dt

 

= ∫

t3 +3t2 +3t +1

dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −1)2

 

 

t2

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫

t

dt + ∫

3t2t dt + ∫

dt =∫ tdt +3∫ 1dt + ∫ 3t dt + ∫ t−2dt =

 

t2

t2

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t−1

 

 

 

 

 

 

(x −1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

=

 

 

 

+3t +3ln

t

+

 

 

+C =

 

 

 

 

 

+3(x −1) +3ln

x −1

−

 

 

 

 

 

 

+C.

2

−1

 

 

2

 

 

 

x

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегралы, содержащие иррациональные выражения вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2 − x2

,

 

 

x2 +a2

 

или

 

x2 −a2

 

, можно вычислить с пом ощью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тригонометрических подстановок. Например, для a2 − x2

 

приме-

няют

 

 

 

 

подстановку

 

 

 

 

x = a sin t ,

 

 

 

dx = a costdt

 

 

 

 

 

(или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = a cost,

dx = −a sin tdt) ;

 

для

 

 

x2 + a2

применяют подстановку

x = a tg t,

dx =

 

a

 

 

dt

 

 

 

(или

 

 

x = a ctg t,

dx = −

 

 

a

 

dt); для

cos2 t

 

 

 

 

 

sin2 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

x2 −a2

 

применяют подстановку

 

 

x =

 

или x =

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

sin t

 

cost

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

Пример 2.6.

Найти

∫

1− x2

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x2

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

dx = [x = sin t,

dx =

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫

 

 

1−sin2 t costdt

=

 

 

 

 

 

sin

2

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫

1

dt − ∫ 1dt =−ctgt

 

sin2 t

dx .

costdt, t = arcsin x, −1 ≤ x ≤1 ]=

∫ctg2 tdt = ∫ (sin12 t −1)dt =

−t +C = − 1−x x2 −arcsin x +C.

2.2.2. Интегрирование некоторых иррациональных функций

Интегралы вида ∫

R(x,( ax +b )

p

,...,( ax +b )

s

 

 

q

)dx, где

R − раци-

t

 

cx + d

cx + d

 

 

ональная функция, p, q,..., s,t − целые числа, находятся с помощью подстановки t = mcxax++db , где m −наименьшее общее кратное чи-

сел q,...,t.

Пример 2.7. Найти ∫

x +

 

 

 

1+ x

 

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Пусть t = 6

 

 

 

 

, тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = t6 −1, dx = 6t5dt,

 

 

 

 

 

 

 

 

= t5 ,

 

3

 

= t2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x +

 

 

 

 

 

 

 

 

t6

−1+t3

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

∫

 

1+ x

 

dx = ∫

6t

5

dt =

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 6∫ (t

9

+t

6

−t

3

)dt =

t

 

 

+

t

 

−

t

 

 

+C,

где

t =

6

1+ x .

 

 

 

6

10

7

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

42