Методы решения физико-математических задач

Методы интегрирования иррациональных функций (корней)

Интегралы с корнями
Даны основные методы интегрирования иррациональных функций (корней). Они включают в себя: интегрирование дробно-линейной иррациональности, дифференциального бинома, интегралы с квадратным корнем из квадратного трехчлена. Приводятся тригонометрические подстановки и подстановки Эйлера. Рассмотрены некоторые эллиптические интегралы, выражающиеся через элементарные функции.

Иррациональная функция от переменной x– это функция, которая образована из переменной x и произвольных постоянных с помощью конечного числа операций сложения, вычитания, умножения (возведения в целочисленную степень), деления и извлечения корней. Иррациональная функция отличается от рациональной тем, что иррациональная функция содержит операции извлечения корней.

Существует три основных типа иррациональных функций, неопределенные интегралы от которых приводятся к интегралам от рациональных функций. Это интегралы, содержащие корни произвольных целочисленных степеней из дробно-линейной функции (корни могут быть различных степеней, но от одной и той же, дробно-линейной функции); интегралы от дифференциального бинома и интегралы с квадратным корнем из квадратного трехчлена.

Важное замечание. Корни многозначны!

При вычислении интегралов, содержащих корни, часто встречаются выражения вида   √ t 2    ,  где t – некоторая функция от переменной интегрирования x .  При этом следует иметь в виду, что   √ t 2   =  | t |  .  То есть, при   t > 0, |t| = t . При   t < 0, |t| = – t . Поэтому, при вычислении подобных интегралов, нужно отдельно рассматривать случаи t > 0 и t < 0 . Это можно сделать, если писать знаки ±  или ∓  там, где это необходимо. Подразумевая, что верхний знак относится к случаю t > 0 , а нижний – к случаю t < 0 . При дальнейшем преобразовании, эти знаки, как правило, взаимно сокращаются.

Возможен и второй подход, при котором подынтегральную функцию и результат интегрирования можно рассматривать как комплексные функции от комплексных переменных. Тогда можно не следить за знаками в подкоренных выражениях. Этот подход применим, если подынтегральная функция является аналитической, то есть дифференцируемой функцией от комплексной переменной. В этом случае и подынтегральная функция и интеграл от нее являются многозначными функциями. Поэтому после интегрирования, при подстановке численных значений, нужно выделить однозначную ветвь (риманову поверхность) подынтегральной функции, и для нее выбрать соответствующую ветвь результата интегрирования.

Далее, по возможности, мы будем применять первый подход, и следить за знаком подкоренных выражений.

Дробно-линейная иррациональность

Это интегралы с корнями от одной и той же дробно-линейной функции:
∫ R( x, ( αx + βγx + δ  ) r1  ,...,    ( αx + βγx + δ  ) rs   )dx , 
где R – рациональная функция,   r1  = m1 n1  ,..., rs  = ms ns     – рациональные числа, m1, n1, ..., ms, ns – целые числа, α, β, γ, δ – действительные числа.
Такие интегралы сводится к интегралу от рациональной функции подстановкой:
t n  = αx + βγx + δ  ,  где n – общий знаменатель чисел r1, ..., rs .

Корни могут быть не обязательно от дробно-линейной функции, но и от линейной (γ = 0, δ = 1), или от переменной интегрирования x (α = 1, β = 0, γ = 0, δ = 1).

Вот примеры таких интегралов:
∫ x dx√ x + 1  – 3√ x + 1    ,    ∫ dx3 √ (x – 1 ) 7 (x + 1 ) 2     . 

Подробнее: Интегрирование дробно-линейной иррациональности >>>

Интегралы от дифференциальных биномов

Интегралы от дифференциальных биномов имеют вид:
Im, p  = ∫ x m (ax n  + b ) p dx , 
где m, n, p – рациональные числа, a, b – действительные числа.
Такие интегралы сводятся к интегралам от рациональных функций в трех случаях.

  1)   Если p – целое. Подстановка x = t N , где N – общий знаменатель дробей m и n .
  2)   Если m + 1n  – целое. Подстановка a x n + b = t M , где M – знаменатель числа p .
  3)   Если m + 1n + p – целое. Подстановка a + b x – n = t M , где M – знаменатель числа p .

В остальных случаях, такие интегралы не выражаются через элементарные функции.

Иногда такие интегралы можно упростить с помощью формул приведения:
a(m + np + 1 )Im, p  =  x m – n + 1 (ax n  + b ) p + 1  –  b(m – n + 1 )Im – n, p  ; 
(m + np + 1 )Im, p  =  x m + 1 (ax n  + b ) p  + bnpIm, p – 1  . 

Подробнее: Интегрирование дифференциального бинома >>>

Интегралы, содержащие квадратный корень из квадратного трехчлена

Такие интегралы имеют вид:
∫ R( x, √ ax 2  + bx + c   )dx , 
где R – рациональная функция. Для каждого такого интеграла имеется несколько методов решения.
1)   С помощью преобразований привести к более простым интегралам.
2)   Применить тригонометрические или гиперболические подстановки.
3)   Применить подстановки Эйлера.

Рассмотрим эти методы более подробно.

1) Преобразование подынтегральной функции

Применяя формулу   ( √ ax 2  + bx + c   ) 2  = ax 2  + bx + c ,   и выполняя алгебраические преобразования, приводим подынтегральную функцию к виду:
φ(x ) + ω(x )√ ax 2  + bx + c    , 
где φ(x), ω(x) – рациональные функции.
Подробнее >>>

Далее выделяя целую часть у ω(x) и раскладывая остаток на простейшие дроби, получаем интегралы трех типов.

I тип

Интеграл вида:
∫ Pn (x ) dx√ ax 2  + bx + c    , 
где Pn(x) – многочлен степени n .

Такие интегралы находятся методом неопределенных коэффициентов, используя тождество:
∫ Pn (x ) dx√ ax 2  + bx + c   =  (A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ...  + An ) ⋅  √ ax 2  + bx + c  + 
 An + 1 ∫ dx√ ax 2  + bx + c    . 
Дифференцируя это уравнение и приравнивая левую и правую части, находим коэффициенты Ai .
Подробнее >>>

II тип

Интеграл вида:
∫ Pm (x ) dx(x – α ) n √ ax 2  + bx + c    , 
где Pm(x) – многочлен степени m .

Подстановкой   t = (x – α)–1 этот интеграл приводится к предыдущему типу. Если m ≥ n , то у дроби   Pm (x )(x – α ) n     следует выделить целую часть.
Подробнее >>>

III тип

∫ (Mx + N ) dx(x 2  + px + q ) n √ ax 2  + bx + c    . 

Здесь мы делаем подстановку:
x = αt + βt + 1  . 
После чего интеграл примет вид:
∫ P2n – 1 (t ) dt(At 2  + Bt + C ) n √ A1 t 2  + B1 t + C1     . 
Далее, постоянные α, β нужно выбрать такими, чтобы в знаменателе коэффициенты при t обратились в нуль:
B = 0,   B1 = 0 .
Тогда интеграл распадается на сумму интегралов двух видов:
∫ t 2ν + 1  dt(At 2  + C ) n √ A1 t 2  + C1     , 
∫ t 2ν  dt(At 2  + C ) n √ A1 t 2  + C1     , 
которые интегрируются подстановками:
u 2 = A1t 2 + C1 ,
v 2 = A1 + C1 t –2 .
Подробнее >>>

2) Тригонометрические и гиперболические подстановки

В некоторых случаях, применение тригонометрических и гиперболических подстановок приводит к более коротким вычислениям. Для их применения, с помощью линейной подстановки, квадратный трехчлен под знаком интеграла нужно привести к сумме или разности квадратов. Затем нужно применить одну из тригонометрических или гиперболических подстановок. Основные подстановки перечислены ниже. Более подробно они рассматриваются на странице:
Тригонометрические и гиперболические подстановки >>>

Для интегралов вида   ∫ R( x, √ a 2  – x 2    ) dx ,    a > 0 ,
имеем три основные подстановки:
x = a sin t,   – π2 ≤ t ≤ π2  ; 
x = a th t,   – ∞ < t < ∞ ; 
x = ± ach t ,  t ≥ 0 ; 

Для интегралов   ∫ R( x, √ x 2  + a 2    ) dx ,    a > 0 ,
имеем следующие подстановки:
x = a sh t,   – ∞ < t < ∞ ; 
x = a tg t,   – π2 < t < π2  ; 
x = ash t ,  t ≠ 0 ; 

И, наконец, для интегралов   ∫ R( x, √ x 2  – a 2    ) dx ,    a > 0 ,
подстановки следующие:
x = ±  a ch t,  t ≥ 0 ; 
x = a cth t,  t ≠ 0 ; 
x = asin t ,  0 <  | t |  ≤ π2  ; 

Подробнее: Тригонометрические и гиперболические подстановки >>>

3) Подстановки Эйлера

Также интегралы могут быть сведены к интегралам от рациональных функций одной из трех подстановок Эйлера:
√ ax 2  + bx + c  = ± x √ a  + t  , при a > 0 ;
√ ax 2  + bx + c  = ± √ c  + tx  , при c > 0 ;
√ ax 2  + bx + c  = t(x – x1 )  , где x1 – корень уравнения a x2 + b x + c = 0 . Если это уравнение имеет действительные корни.

Подробнее: Подстановки Эйлера >>>

Эллиптические интегралы

В заключении рассмотрим интегралы вида:
∫ R(x, y ) dx , 
где R – рациональная функция, y = √ Ax 4  + Bx 3  + Cx 2  + Dx + E   .  Такие интегралы называются эллиптическими. В общем виде они не выражаются через элементарные функции. Однако встречаются случаи, когда между коэффициентами A, B, C, D, E существуют соотношения, при которых такие интегралы выражаются через элементарные функции.

Ниже приводится пример, связанный с возвратными многочленами. Вычисление подобных интегралов выполняется с помощью подстановок:
u = x + 1x ,  v = x – 1x  . 

Пример

Все примеры

Вычислить интеграл:
I = ∫ x 2  – 1x 2  + 1 dx√ x 4  + 1    . 

Решение

Делаем подстановку   u = x + 1x = x 2  + 1x  . 

√ x 4  + 1  = √ x 2 ( x 2  + 1x 2   )  =   | x | √ x 2  + 1x 2    =  ± x √ ( x + 1x  ) 2  – 2  =  ± x √ u 2  – 2   . 
Здесь при x > 0 (u > 0) берем верхний знак ′+′. При x < 0 (u < 0) – нижний ′–′.

I = ∫ x 2  – 1x 2  + 1 dx√ x 4  + 1   =  ± ∫ ( 1 – 1x 2   ) dx( 1 + 1x 2   )x √ u 2  – 2   =  ± ∫ d( x + 1x  )( x + 1x  ) √ u 2  – 2   = 
 ± ∫ duu √ u 2  – 2   =  ± ∫ duu | u | √ 1 – 2u – 2    =  ∫ duu 2 √ 1 – 2u – 2    = 
 – 1√ 2   ∫ d( √ 2  u – 1  )√ 1 – ( √ 2  u – 1  ) 2    =  1√ 2   arccos ( √ 2  u – 1  ) =  1√ 2   arccos ( x √ 2  x 2  + 1  ) . 

Ответ

I = 1√ 2   arccos ( x √ 2  x 2  + 1  ) + C . 

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню