- •Розділ і. Первісна та невизначений інтеграл
- •Властивості невизначеного інтеграла
- •1.1. Таблиця основних інтегралів
- •1.2. Методи інтегрування
- •1.2.1. Метод безпосереднього інтегрування
- •1.2.2. Метод заміни змінної (метод підстановки)
- •III. Інтеграли вигляду
- •IV. Рекурентні формули
- •1.3. Інтегрування деяких класів функцій
- •Метод інтегрування частинами
- •I. Інтеграли вигляду
- •II. Інтеграли вигляду
- •1.3.1. Інтегрування функцій, які містять квадратний тричлен
- •1.3.2. Інтегрування раціональних функцій
- •1.3.3. Інтегрування деяких ірраціональних функцій
- •Іv. Інтегрування біномних диференціалів
- •1.3.4. Інтегрування тригонометричних та гіперболічних функцій
- •Якщо , то використовуємо підстановку .
- •Якщо , то використовуємо підстановку .
- •Якщо , то використовуємо підстановку .
- •V. Інтегрування гіперболічних функцій
- •Розділ іі. Завдання для розрахунково-графічної роботи
1.3.1. Інтегрування функцій, які містять квадратний тричлен
Розглянемо такі інтеграли
І.
.
ІІ.
.
ІІІ.
.
ІV.
.
V.
В цих інтегралах
–
дійсні
константи,
причому
.
Інтеграли І,
ІІ,
ІІІ
обчислюються шляхом виділення повного
квадрата
в квадратному тричлені з наступною
заміною змінної. Покажемо цю процедуру
на прикладі першого інтеграла
І.
І.
.
Перетворимо підінтегральну функцію,
виділивши повний квадрат в
знаменнику:
.
Виконаємо підстановку
та позначимо
і
.
Тоді
=
Перший інтеграл
в дужках
,
другий – табличний інтеграл 18
або 19
таблиці Б.
Залишається повернутись до змінної
.
Приклад
7. Знайти
інтеграл
.
=
,
де
.
Приклад 8.
Знайти інтеграл
.
Аналогічно як в попередньому прикладі, виділяємо повний квадрат.
=
.
Інтеграли ІV
та V
за допомогою підстановок відповідно
та
зводяться до інтеграла
ІІІ.
Приклад 9.
Знайти інтеграл
,
.
Використовуємо підстановку
.
Тоді
,
.
Тому
=
.
Приклад 10.
Знайти інтеграл
,
.
Використовуємо підстановку
.
Тоді
.
Тому
.
1.3.2. Інтегрування раціональних функцій
Клас раціональних функцій поділяється на цілі і дробово-раціональні функції. Ціла раціональна функція – це многочлен
(13)
а дробово-раціональна функція – це відношення двох многочленів
(14)
Многочлен
(13),
очевидно,
легко проінтегрувати. Отже, інтеграл
від цілої раціональної функції є знову
ціла раціональна функція. Якщо в
дробово-раціо-нальній
функції (14)
,
то таку функцію будемо називати правильним
дро-бом,
а коли
,
то неправильним дробом. Шляхом ділення
многочлена на многочлен завжди можна
неправильний дріб подати як суму
многочлена і правильного дробу. Наприклад,
виконавши ділення многочленів, отримаємо
що
Отже, інтегрування неправильного дробу зводиться до інтегрування многочлена і правильного дробу. Опишемо методику інтегрування правильних дробів. З алгебри відомі наступні факти.
Кожен многочлен з дійсними коефіцієнтами може бути записаний у вигляді
(15)
,
де
дійсні корені многочлена (13) кратності
відповідно,
а
– показники кратності спряжених
комплексних
коренів
квадратних тричленів
,
.
Як стверджує основна теорема алгебри
.
Наприклад,
.
Коренями цього
многочлена є
,
,
,
.
є простий корінь:
;
є кратний корінь кратності
;
,
є комп-лексно
спряжені корені кратності
.
Нехай
– правильний дріб, а
має зображення правої частини (15).
Тоді
(16)
Дроби
вигляду
і
,
де
,
,
– дійсні
числа, а
,
– нату-ральні
числа, називаються простими дробами.
Подання
дробу у вигляді
(16) називається розкладанням правильного
дробу на прості дроби.
Таким чином, інтегрування правильного дробу зводиться до інтегрування чотирьох видів простих дробів:
I.
;
II.
;
III.
;
IV.
.
Інтеграли I і II обчислюються легко:
I.
.
II.
.
Інтеграл III ми обчислили в параграфі 1.3.1 шляхом виділення повного квад-рата. Тому опускаючи проміжні перетворення запишемо, що
III.
.
Обчислимо тепер інтеграл IV. Виконавши аналогічні перетворення як у випадку інтеграла III, отримаємо, що
,
де
;
.
В інтегралі
виконуємо підстановку
,
тоді
.
Тому
.
В інтегралі
в знаменнику виділяємо повний квадрат.
.
Цей інтеграл був обчислений в п. 1.2.3. шляхом отримання для нього рекурен-тної формули.
Отже, якщо
,
то маємо таку рекурентну формулу:
.
(17)
Таким чином, інтеграли від дробово-раціональних функцій завжди виражаються через елементарні функції: дробово-раціональні функції, зокрема многочлени, через натуральні логарифми і арктангенси.
Приклад 11.
Знайти
інтеграл
.
Підінтегральна функція є правильний дріб: степінь чисельника 2, а степінь знаменника 5. Тому розкладаємо даний дріб на прості дроби:
.
Для
знаходження невідомих коефіцієнтів
використовуємо метод невизначених
коефіцієнтів. Прирівняємо
чисельники дробів зліва і справа в цій
рівності
(
)
Якщо покласти
в (*)
,
то отримаємо, що
.
Щоб отримати
значення коефіцієнтів B,C,D,E
прирівняємо
коефіцієнти в (*) при степенях
,
,
і
.
Отримаємо таку систему:
Тому
.
Тоді
,
де
.
Для цього інтеграла
з (17) отримаємо, що
,
де
.
Тому
.
Отже,
.
Таким чином, для того щоб проінтегрувати дробово-раціональну функцію потрібно виконати такий алгоритм.
Якщо дріб неправильний, то розділити чисельник дробу на знаменник способом ділення многочлена на многочлен.
Записати неправильний дріб як суму многочлена і правильного дробу.
Правильний дріб записати як суму простих дробів, використовуючи при цьому метод невизначених коефіцієнтів.
Знайти інтеграли від многочлена і від простих дробів.
