Методы решения физико-математических задач

Вычисление интегралов от двучлена дробь степень от трехчлена квадратный корень из квадратного трехчлена

Интегрирование двучлена дробь трехчлен корень квадратный из трехчлена
Приводится метод вычисления интегралов, в числителе дроби которых находится линейный двучлен, а в знаменателе – произведение квадратного трехчлена в натуральной степени на квадратный корень из трехчлена. Разобран пример вычисления такого интеграла.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\sgn}{\mathop{\mathrm{sgn}}\nolimits})()

Метод интегрирования

Рассмотрим интеграл от дроби, в числителе которой стоит линейный двучлен, а в знаменателе - целая положительная степень от трехчлена и квадратный корень из квадратного трехчлена:
(Mx + N ) dx(x 2  + px + q )nax 2  + bx + c ,
где уравнение
x 2 + px + q = 0
не имеет действительных корней. В противном случае дробь   1x 2  + px + q   можно разложить на простейшие дроби и вычислять полученные интегралы методом, изложенном на странице Вычисление интегралов от многочлена дробь степень от двучлена квадратный корень из квадратного трехчлена > > >.

Для интегрирования нужно сделать подстановку
x = αt + βt + 1 , при b – ap ≠ 0 , или подстановку
x = t + α , в противном случае.
После чего интеграл примет вид:
P2n – 1 (t ) dt(At 2  + Bt + D )nA1t 2  + B1t + D1 .
Далее, постоянные α, β нужно выбрать такими, чтобы коэффициенты при t обратились в нуль:
B = 0,   B1 = 0 .
Тогда интеграл распадается на сумму интегралов двух видов:
t 2ν + 1  dt(At 2  + D )nA1t 2  + D1 ;
t 2ν  dt(At 2  + D )nA1t 2  + D1 ,
которые интегрируются, соответственно подстановками:
u = A1t 2  + D1 ;
v = A1  + D1t – 2 .

Доказательство

Докажем, что существуют такие действительные постоянные α и β , при которых коэффициенты B и B1 обращаются в нуль.

Для доказательства, сначала упростим выражение, перейдя к новой переменной x1 , сделав подстановку
x = x1 – p/2 с тем, чтобы обратить B в нуль.
x 2  + px + q = (x + p / 2 ) 2  + q – p 2  / 4 = x 21  + k .
Здесь k = q – p 2/4 .
ax 2  + bx + c =a(x1  – p / 2 ) 2  + b(x1  – p / 2 ) + c =
ax 21  + (b – ap )x1  +ap 2  / 4 – bp / 2 + c =ax 21  + b1x1  + c1 .

Отсюда видно, что если b – ap = 0 , то коэффициенты при t в обоих трехчленах обращаются в нуль.

Рассмотрим случай b – ap ≠ 0 . В начале заметим, что поскольку x 2 + px + q ≠ 0 , то   x 2  + px + q = x 21  + k > 0 .   Поэтому k > 0 .
Делаем подстановку
x1  = αt + βt + 1 .
Тогда уравнения равенства нулю коэффициентов при t примут вид:
B = 2αβ + 2k = 0
B1  = 2aαβ + b1 (α + β ) + 2c1  = 0
Из первого уравнения, αβ = – k . Подставляя во второе уравнение, найдем α + β . Обозначим, α + β2 = s,  α – β2 = r .
Перепишем первое уравнение:
αβ = – k ;
αβ = (α + β2  ) 2  – (α – β2  ) 2  =s 2  – r 2  = – k .
Отсюда r 2  = s 2  + k > 0 . То есть r - действительное.
Таким образом, для α и β мы получили линейную систему уравнений:
α + β = 2s
α – β = 2r ,
которая имеет отличное от нуля действительное решение:
α = s + r ;
β = s – r .

Примечания

Чтобы упростить доказательство и выделить случай b – ap = 0 , мы сделали две подстановки:
x = x1 – p/2   и   x1  = αt + βt + 1 .
Однако, при вычислении интеграла, достаточно выполнить только одну дробно-линейную подстановку. Поскольку эти две, последовательно выполненные, подстановки имеют вид одной дробно-линейной :
x = x1  – p / 2 =αt + βt + 1 – p(t + 1 )2(t + 1 ) =(α – p / 2 )t + (β – 1 / 2 )t + 1 .

При доказательстве мы предполагали, что x 2 + px + q ≠ 0 . Но, поскольку оба трехчлена равноправны, то постоянные α и β существуют, и данный метод применим, если выполняется, хотя бы одно условие из двух:
x 2 + px + q ≠ 0 ;
ax 2 + bx + c ≠ 0 .

Пример

Все примеры

Вычислить интеграл:
I = dx(x 2  – x + 1 ) x 2  + x + 1 

Решение

Введем обозначения:
p = x 2 – x + 1 ,   q = x 2 + x + 1 .

Делаем подстановку в общем виде, с произвольными значениями постоянных α и β : x = αt + βt + 1 .
p ⋅ (t + 1 ) 2  = (αt + β ) 2  – (αt + β )(t + 1 ) + (t + 1 ) 2  =
α 2  t 2  + 2αβt + β 2  – αt 2  – (α + β ) t – β + t 2  + 2t + 1 =
(α 2  – α + 1  )t 2  +( 2αβ – α – β + 2  )t + β 2  – β + 1 ;
q ⋅ (t + 1 ) 2  = (αt + β ) 2  + (αt + β )(t + 1 ) + (t + 1 ) 2  =
α 2  t 2  + 2αβt + β 2  + αt 2  + (α + β ) t + β + t 2  + 2t + 1 =
(α 2  + α + 1  )t 2  +( 2αβ + α + β + 2  )t + β 2  + β + 1 .

Выбираем α и β , чтобы коэффициенты при t обратились в нуль. Получаем систему уравнений:
2αβ – α – β + 2 = 0
2αβ + α + β + 2 = 0
Решаем систему. Берем сумму и разность уравнений:
4αβ + 4 = 0
2(α + β ) = 0 ;
αβ = – 1
α + β = 0 ;  β = – α ;
α(– α ) = – 1;  α 2  = 1 .
Выбираем корень α = 1 . Тогда β = – 1 .

Делаем подстановку со значениями постоянных α = 1 , β = – 1 .
x = αt + βt + 1 = t – 1t + 1 ;
p ⋅ (t + 1 ) 2  = (α 2  – α + 1  )t 2  +β 2  – β + 1 = t 2  + 3 ;
q ⋅ (t + 1 ) 2  = (α 2  + α + 1  )t 2  +β 2  + β + 1 = 3t 2  + 1 ;
p = t 2  + 3(t + 1 ) 2 ; q = 3t 2  + 1(t + 1 ) 2 =  3t 2  + 1  | t + 1 |  = 3t 2  + 1 t + 1 ⋅ sgn (t + 1 ) ;
Здесь sgn(t + 1) – функция сигнум:
sgn(t + 1) = 1 при t + 1 > 0 ; sgn(t + 1) = – 1 при t + 1 < 0 .
dx = (t – 1t + 1  )dt =(t – 1 )(t + 1 ) – (t – 1 )(t + 1 )(t + 1 ) 2  dx
= (t + 1 ) – (t – 1 )(t + 1 ) 2  dx = 2 dx(t + 1 ) 2 .

Подставляем:

I = dxpq = sgn (t + 1 ) ⋅ (t + 1 ) 2 dx(t 2  + 3 )  3t 2  + 1  .
Или
I = sgn(t + 1) · ( I1 + I2)  ,
где   I1  = 2 tdt(t 2  + 3 )  3t 2  + 1  ,   I2  = 2 dt(t 2  + 3 )  3t 2  + 1  .

В первом интеграле делаем подстановку u =  3t 2  + 1  .   u 2  = 3t 2  + 1 ;   du 2  = 2udu = d(3t 2  + 1 ) = 6 tdt ;   tdt = udu3 ;   t 2  + 3 = u 2  – 13 + 93 = u 2  + 83 .
I1  = 2 udu(u 2  + 8 ) u = 2 duu 2  + ( 8   ) 2 =2 8  arctg u 8  =1 2  arctg  3t 2  + 1 2  2  .

Переходим к переменной x .
x = t – 1t + 1 ;   x (t + 1 ) = t – 1 ;   t = 1 + x1 – x ;   t + 1 = 1 + x1 – x + 1 – x1 – x = 21 – x .
Применим формулу:
q ⋅ (t + 1 ) 2  = 3t 2  + 1 .
 3t 2  + 1  =  | t + 1 | q = sgn (t + 1 ) ⋅ (t + 1 ) q = sgn (t + 1 ) ⋅ 2 q1 – x .
I1  = 1 2  arctg  3t 2  + 1 2  2  =1 2  arctg sgn (t + 1 ) ⋅ q(1 – x )  2  =
 sgn (t + 1 ) ⋅ 1 2  arctg x 2  + x + 1 (1 – x )  2  .

Во втором интеграле делаем подстановку v = t – 2  + 3  .   v 2  = t – 2  + 3 ;   dv 2  = 2vdv = d(t – 2  + 3 ) = – 2 t – 3  dt ;   t – 3  dt = – vdv ;   3t – 2  + 1 = 3(v 2  – 3 ) + 1 = 3v 2  – 8 .
I2  = 2 dt(t 2  + 3 )  3t 2  + 1  = 2 dtt 2 (1 + 3t – 2 ) t 2 (3 + t – 2 )  .
Далее учтем, что t 2 =  | t |  = ± t . В дальнейшем верхний знак будет относиться к значениям t > 0 , нижний - к значениям t < 0 .
± I2  = 2 t – 3  dt(1 + 3t – 2 )  3 + t – 2 = – 2 vdv(3v 2  – 8 )v = – 23dvv 2  – 8 / 3 =
– 23 ⋅ 2  8 / 3  ln |v –  8 / 3 v +  8 / 3   | = – 1 8 ⋅ 3  ln |t – 2  + 3  –  8 / 3 t – 2  + 3  +  8 / 3   | .
Умножим числитель и знаменатель на |t| = ± t и учтем, что ln ab = – ln ba .
I2  = ∓ 12  6  ln | 1 + 3t 2 –  | t |  8 / 3  1 + 3t 2 +  | t |  8 / 3   | = ∓ 12  6  ln | 1 + 3t 2 ∓ t 8 / 3  1 + 3t 2 ± t 8 / 3   | =
– 12  6  ln | 1 + 3t 2 – t 8 / 3  1 + 3t 2 + t 8 / 3   | .

Переходим к переменной x .
t = 1 + x1 – x ;   (1 – x )t = x + 1 .
Преобразуем выражение под знаком логарифма, применяя полученную ранее формулу:
 3t 2  + 1  = sgn (t + 1 ) ⋅ 2 q1 – x .
| 1 + 3t 2 – t 8 / 3  1 + 3t 2 + t 8 / 3   | =|–  1 + 3t 2 + t 8 / 3  1 + 3t 2 + t 8 / 3   | =
|– (1 – x )  1 + 3t 2 + (1 – x )t 8 / 3 (1 – x )  1 + 3t 2 + (1 – x )t 8 / 3   | =|– 2 sgn (t + 1 ) q + (x + 1 )  8 / 3 2 sgn (t + 1 ) q + (x + 1 )  8 / 3   | =
|– sgn (t + 1 )  3q + (x + 1 )  2 sgn (t + 1 )  3q + (x + 1 )  2   | .
Снова учтем, что ln ab = – ln ba .
I2  = – 12  6  ln | 1 + 3t 2 – t 8 / 3  1 + 3t 2 + t 8 / 3   | = – sgn (t + 1 )2  6  ln |–  3q + (x + 1 )  2  3q + (x + 1 )  2   | ;
sgn (t + 1 ) ⋅ I2  = – 12  6  ln | 3q – (x + 1 )  2  3q + (x + 1 )  2   | .
Умножим числитель и знаменатель на ( 3q – (x + 1 )  2   ) . В числителе будет квадрат от ( 3q – (x + 1 )  2   ) . Преобразуем знаменатель.
( 3q + (x + 1 )  2   ) ⋅( 3q – (x + 1 )  2   ) = 3q – 2(x + 1 ) 2  =
 3(x 2  + x + 1 ) – 2(x 2  + 2x + 1 ) =x 2  – x + 1 = (x 2  – x + 1   ) 2 .
Отсюда, в частности следует, что 3q > 2(x + 1) 2 , поэтому  3q > (x + 1 )  2    и знак модуля можно опустить.
sgn (t + 1 ) ⋅ I2  = – 1 6  ln  3q – (x + 1 )  2 x 2  – x + 1  =
 – 1 6  ⋅ ln  3(x 2  + x + 1 )  – (x + 1 )  2 x 2  – x + 1  .

Окончательный результат:
I = sgn(t + 1) · ( I1 + I2)  .

Ответ

I = 1 2  arctg x 2  + x + 1 (1 – x )  2  –1 6  ln  3(x 2  + x + 1 )  – (x + 1 )  2 x 2  – x + 1  + C

Примечание

Если бы мы применили подстановку Эйлера, то получили бы интеграл:
(2t – 1 ) dtt 4  + 3t 3  + t 2  – 6t + 3 .
Хотя подынтегральное выражение является рациональной функцией, но разложить его на простейшие дроби не так просто.

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню