- •Интегральное исчисление Первообразная функция и неопределенный интеграл
- •Свойства неопределенного интеграла
- •Список («таблица») основных интегралов
- •Методы интегрирования
- •2. Метод замены переменной (метод подстановки)
- •3. Метод интегрирования по частям
- •Подход к интегрированию рациональных дробей
- •Рационализация интегралов
- •Определенный интеграл Понятие определенного интеграла
- •Свойства определенного интеграла
- •Формула Ньютона—Лейбница
- •Геометрический и экономический смысл определенного интеграла
- •Вычисление площадей плоских фигур с помощью определенного интеграла
- •Несобственный интеграл
Список («таблица») основных интегралов
Перечислим интегралы от элементарных функций, которые иногда называют табличными:





Любую из приведенных выше формул можно доказать, взяв производную от правой части (в результате будет получены подынтегральная функция).
Методы интегрирования
Рассмотрим некоторые основные методы интегрирования. К ним относятся:
1. Метод разложения (непосредственного интегрирования).
Этот метод основан на непосредственном применении табличных интегралов, а также на применении свойств 4 и 5 неопределенного интеграла (т.е. на выносе за скобку постоянного сомножителя и/или представления подынтегральной функции в виде суммы функций – разложения подынтегральной функции на слагаемые).
Пример 1.Например, для нахождения(dx/x4) можно непосредственно воспользоваться табличным интегралом дляxndx. В самом деле,(dx/x4) =x-4dx=x-3/(-3) +C= -1/3x3+C.
Рассмотрим еще несколько примеров.
Пример 2. Для
нахождения
воспользуемся
тем же интегралом:
![]()
Пример 3. Для
нахождения
надо
взять

Пример 4. Чтобы
найти
,
представим подынтегральную функцию в
виде
и
используем табличный интеграл для
показательной функции:

Рассмотрим использование выноса за скобку постоянного сомножителя.
Пример 5.
Найдем,
например
.
Учитывая, что , получим

Пример 6. Найдем
.
Поскольку
,
воспользуемся табличным интегралом
Получим

В следующих двух примерах также можно использовать вынос за скобки и табличные интегралы:
Пример 7.

(используем
и
);
Пример 8.

(используем
и
).
Рассмотрим более сложные примеры, в которых используется интеграл суммы.
Пример 9. Например,
найдем
.
Для применения метода разложения в
числителе используем формулу куба
суммы,
а затем полученный многочлен почленно
разделим на знаменатель.
=((8x3/2+ 12x+ 6x1/2+ 1)/(x3/2))dx=(8 + 12x-1/2+ 6/x+x-3/2)dx= 8dx+ 12x-1/2dx+
+ 6dx/x+x-3/2dx=![]()
Следует отметить, что в конце решения записана одна общая постоянная С (а не отдельные при интегрировании каждого слагаемого). В дальнейшем также предлагается опускать в процессе решения постоянные от интегрирования отдельных слагаемых до тех пор, пока выражение содержит хотя бы один неопределенный интеграл (будем записывать одну постоянную в конце решения).
Пример 10. Найдем
.
Для решения этой задачи разложим на
множители числитель (после этого удастся
сократить знаменатель).

Пример 11. Найдем
.
Здесь можно использовать тригонометрические
тождества.

Иногда, чтобы разложить выражение на слагаемые, приходится применять более сложные приемы.
Пример 12. Найдем
.
В подынтегральной функции выделим целую
часть дроби
.
Тогда
.
Пример 13. Найдем

2. Метод замены переменной (метод подстановки)
Метод основан на следующей формуле: f(x)dx=f((t))`(t)dt, где x =(t) - функция, дифференцируемая на рассматриваемом промежутке.
Доказательство. Найдем производные по переменной tот левой и правой частей формулы.
Отметим, что в левой части находится сложная функция, промежуточным аргументом которой является x = (t). Поэтому, чтобы дифференцировать ее поt, сначала дифференцируем интеграл по x, а затем возмем производную от промежуточного аргумента поt.
( f(x)dx)`t = ( f(x)dx)`x*x`t = f(x) `(t)
Производная от правой части:
(f((t))`(t)dt)`t=f((t))`(t) =f(x)`(t)
Так как эти производные равны, по следствию из теоремы Лагранжа левая и правая части доказываемой формулы отличаются на некоторую постоянную. Поскольку сами неопределенные интегралы определены с точностью до неопределенного постоянного слагаемого, то указанную постоянную в окончательной записи можно опустить. Доказано.
Удачная замена переменной позволяет упростить исходный интеграл, а в простейших случаях свести его к табличному. В применении этого метода различают методы линейной и нелинейной подстановки.
а) Метод линейной подстановкирассмотрим на примере.
Пример 1.
.
Пустьt= 1 – 2x,
тогда
x= ½ - ½t
dx=d( ½ - ½t) = - ½dt
![]()
Следует отметить, что новую переменную можно не выписывать явно. В таких случаях говорят о преобразовании функции под знаком дифференциала или о введении постоянных и переменных под знак дифференциала, - т.е. о неявной замене переменной.
Пример 2.Например, найдемcos(3x + 2)dx. По свойствам дифференциала dx = (1/3)d(3x) = (1/3)d(3x + 2), тогдаcos(3x + 2)dx =(1/3)cos(3x + 2)d(3x + + 2) = (1/3)cos(3x + 2)d(3x + 2) = (1/3)sin(3x + 2) +C.
В обоих рассмотренных примерах для нахождения интегралов была использована линейная подстановка t=kx+b(k0).
В общем случае справедлива следующая теорема.
Теорема о линейной подстановке. ПустьF(х) - некоторая первообразная для функцииf(х). Тогдаf(kx+b)dx= (1/k)F(kx+b) +C, где k и b - некоторые постоянные,k0.
Доказательство.
По определению интеграла f(kx+b)d(kx+b) =F(kx+b) +C. Hod(kx+b)= (kx+b)`dx=kdx. Вынесем постоянный множительkза знак интеграла:kf(kx+b)dx=F(kx+b) +C. Теперь можно разделить левую и правую части равенства наkи получить доказываемое утверждение с точностью до обозначения постоянного слагаемого.
Данная теорема утверждает, что если в определение интеграла f(x)dx= F(x) + C вместо аргумента х подставить выражение (kx+b), то это приведет к появлению дополнительного множителя 1/kперед первообразной.
С использованием доказанной теоремы решим следующие примеры.
Пример 3.
Найдем
.
Здесьkx+b= 3 –x, т.е.k= -1,b= 3. Тогда
![]()
Пример 4.
Найдем
.
Здесьkx+b= 4x+ 3, т.е.k= 4,b= 3. Тогда
![]()
Пример 5.
Найдем
.
Здесьkx+b= -2x+ 7, т.е.k= -2,b= 7. Тогда
.
Пример 6. Найдем
.
Здесьkx+b= 2x+ 0, т.е.k= 2,b= 0.
.
Сравним полученный
результат с примером 8, который был решен
методом разложения. Решая эту же задачу
другим методом, мы получили ответ
.
Сравним полученные результаты:
.
Таким образом, эти выражения отличаются
друг от друга на постоянное слагаемое
,
т.е. полученные ответы не противоречат
друг другу.
Пример 7. Найдем
.
Выделим в знаменателе полный квадрат.![]()
В некоторых случаях замена переменной не сводит интеграл непосредственно к табличному, но может упростить решение, сделав возможным применение на последующем шаге метода разложения.
Пример 8. Например,
найдем
.
Заменимt=x+ 2, тогдаdt=d(x+ 2) =dx. Тогда
,
где С = С1– 6 (при подстановке вместоtвыражения (x+ 2) вместо первых двух слагаемых получим ½x2-2x– 6).
Пример 9. Найдем
.
Пустьt= 2x+ 1, тогдаdt= 2dx;dx= ½dt;x= (t– 1)/2.

Подставим вместо tвыражение (2x+ 1), раскроем скобки и приведем подобные.

Отметим, что в процессе преобразований мы перешли к другому постоянному слагаемому, т.к. группу постоянных слагаемых в процессе преобразований можно было опустить.
б) Метод нелинейной подстановкирассмотрим на примере.
Пример 1.
.
Пустьt= -x2.
Далее можно было бы выразить х черезt,
затем найти выражение для dxи реализовать замену переменной в
искомом интеграле. Но в данном случае
проще поступить по-другому. Найдемdt=d(-x2)
= -2xdx. Отметим, что выражениеxdxявляется сомножителем
подынтегрального выражения искомого
интеграла. Выразим его из полученного
равенстваxdx= - ½dt.
Тогда
=
(-
½)etdt
= (- ½)
etdt =
(- ½)et
+ C = (- ½)
+
C
Рассмотрим еще несколько примеров.
Пример 2. Найдем
.
Пустьt= 1 -x2.
Тогда
;

Пример 3. Найдем
.
Пустьt=
.
Тогда
;

Пример 4. В случае нелинейной подстановки также бывает удобно использовать неявную замену переменной.
Например, найдем
.
Запишемxdx=
= (-1/4)d(3
- 2x2) (неявно заменили
переменнойt= 3 - 2x2).
Тогда![]()
Пример 5. Найдем
.
Здесь тоже введем переменную под знак
дифференциала:
(неявная заменаt= 3 + 5x3).
Тогда

Пример 6. Найдем
.
Поскольку
,
.
Пример 7. Найдем
.
Поскольку
,
то
![]()
Рассмотрим несколько примеров, в которых возникает необходимость сочетать различные подстановки.
Пример 8. Найдем
.
Пустьt= 2x+ 1, тогдаx= (t– 1)/2;dx= ½dt.

Пример 9. Найдем
.
Пустьt=x- 2, тогдаx=t+ 2;dx=dt.

