Методы решения физико-математических задач

Подстановки Эйлера

Подстановки Эйлера
Показано, что интегралы с рациональными функциями от квадратного корня из квадратичного многочлена сводятся к интегралам от рациональных функций с помощью подстановок Эйлера. Даны три подстановки Эйлера и рекомендации по их применению. Разобран пример вычисления интеграла с помощью подстановки Эйлера.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})()

Три подстановки Эйлера

Рассмотрим интегралы, подынтегральное выражение которых является рациональной функцией от переменной интегрирования и квадратного корня из квадратного многочлена.
∫ R( x, √ ax 2  + bx + c   )dx ,

Такие 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 – любой корень уравнения a x2 + b x + c = 0 . Если это уравнение имеет действительные корни.

Также можно применять подстановки:
√ 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 )
которые отличаются изменением знака перед t .

Выбор подстановки Эйлера

Как видно, для вычисления интеграла, можно применять не одну подстановку Эйлера. Все они приводят к интегралу от рациональной функции. Выбор в пользу той или иной подстановки следует делать, чтобы упростить вычисления.

Так, если подынтегральное выражение содержит комбинацию x – √ x 2  + x + 1  , то следует выбрать подстановку Эйлера:
√ x 2  + x + 1  = x + t .
Поскольку в этом случае сразу получается более простое выражение:
x – √ x 2  + x + 1  = x – (x + t ) = – t

А если подынтегральное выражение содержит комбинацию 1 + √ x 2  + x + 1 x , то следует выбрать подстановку:
√ x 2  + x + 1  = – 1 + tx .
Поскольку в этом случае:
1 + √ x 2  + x + 1 x = 1 – 1 + txx = t

Доказательство

Докажем, что подстановки Эйлера приводят к интегралу от рациональной функции.

1) a > 0

Пусть a > 0 . Делаем подстановку:
√ ax 2  + bx + c  = ± x √ a  + t
Возводим в квадрат.
ax 2  + bx + c = (± x √ a  + t ) 2  = ax 2  ± 2 √ a  xt + t 2
Вычитаем из обеих частей равенства ax 2 и преобразовываем.
bx + c = ± 2 √ a  xt + t 2
bx ∓ 2 √ a  xt = t 2  – c
Отсюда видно, что x является рациональной функцией от t
x = t 2  – cb ∓ 2 √ a   t
Также и дифференциал dx будет произведением рациональной функции от t на dt . И квадратный корень
√ ax 2  + bx + c  = ± x √ a  + t = ± t 2  – cb ∓ 2 √ a   t √ a  + t
– тоже рациональная функция от t .

То есть, при такой подстановке, подынтегральное выражение будет рациональной функцией от переменной интегрирования t .

2) c > 0

Пусть c > 0 . Делаем подстановку:
√ ax 2  + bx + c  = ± √ c  + tx
Возводим в квадрат.
ax 2  + bx + c = (± √ c  + tx ) 2  = c ± 2 √ c   tx + t 2 x 2
Вычитаем из обеих частей равенства c и делим на x .
ax 2  + bx = ± 2 √ c   tx + t 2 x 2
ax + b = ± 2 √ c   t + t 2 x
ax – t 2 x = ± 2 √ c   t – b
Отсюда видно, что x является рациональной функцией от t
x = ± 2 √ c   t – ba – t 2
Также и дифференциал dx будет произведением рациональной функции от t на dt . И квадратный корень
√ ax 2  + bx + c  = ± √ c  + tx = ± √ c  + t  ± 2 √ c   t – ba – t 2
– тоже рациональная функция от t .

То есть, при такой подстановке, подынтегральное выражение будет рациональной функцией от переменной интегрирования t .

3) Уравнение имеет действительные корни

Пусть уравнение a x2 + b x + c = 0 имеет действительные корни x1, x2 . Тогда
a x2 + b x + c = a(x – x1)(x – x2)
Делаем подстановку:
√ ax 2  + bx + c  ≡ √ a(x – x1 )(x – x2 )  = t(x – x1 )
Возводим в квадрат.
a(x – x1 )(x – x2 ) = t 2 (x – x1 ) 2
Делим на x – x1 и преобразовываем.
a(x – x2 ) = t 2 (x – x1 )
ax – t 2 x = ax2  – t 2 x1
Отсюда видно, что x является рациональной функцией от t
x = ax2  – x1 t 2a – t 2
Также и дифференциал dx будет произведением рациональной функции от t на dt . И квадратный корень
√ ax 2  + bx + c  = t(x – x1 ) = t( ax2  – x1 t 2a – t 2 – x1  )
– тоже рациональная функция от t .

То есть, при такой подстановке, подынтегральное выражение будет рациональной функцией от переменной интегрирования t .

Пример применения подстановки Эйлера

Все примеры

В качестве примера, вычислим интеграл
∫ dxx – √ x 2  – x + 1 
применяя одну из подстановок Эйлера.

Решение

Здесь a = 1 > 0 . В соответствии со сказанным выше, для решения примера, выбираем подстановку:
√ x 2  – x + 1  = x + t
Поскольку при такой подстановке, подынтегральное выражение сразу упростится
x – √ x 2  – x + 1  = x – (x + t ) = – t

Возводим в квадрат и преобразовываем.
x 2  – x + 1 = (x + t ) 2  = x 2  + 2xt + t 2
– x + 1 = 2xt + t 2
2xt + x = 1 – t 2
x = 1 – t 21 + 2t
Берем дифференциал.
dx = ( 1 – t 21 + 2t  ) ′ dt = 1(1 + 2t ) 2 ( (1 – t 2 ) ′(1 + 2t ) –    (1 – t 2 )(1 + 2t ) ′  ) dt =
1(1 + 2t ) 2 ( – 2t(1 + 2t ) –    2(1 – t 2 ) ) dt = – 2t 2  – 2t – 2(1 + 2t ) 2  dt = – 2  t 2  + t + 1(1 + 2t ) 2  dt
Преобразуем знаменатель.
x – √ x 2  – x + 1  = x – (x + t ) = – t

Подставляем.
I = ∫ dxx – √ x 2  – x + 1  = 2 ∫ t 2  + t + 1t(2t + 1 ) 2  dt

Разложим дробь на простейшие. Ищем разложение в виде:
2 t 2  + t + 1t(2t + 1 ) 2 = At + B(2t + 1 ) 2 + C2t + 1
Умножаем на t(2t + 1)2
2(t 2  + t + 1 ) = A(2t + 1 ) 2  + Bt + Ct(2t + 1 )
Подставляем t = 0,   t = –1/2,   t = – 1 .
2 = A
2( 14 – 12 + 1  ) = – 12 B
2 = A – B + C
Отсюда
А = 2
B = – 4 ⋅ 34 = – 3
C = 2 – A + B = 2 – 2 – 3 = – 3
Итак, мы получили разложение дроби на простейшие:
2 t 2  + t + 1t(2t + 1 ) 2 = 2t – 3(2t + 1 ) 2 – 32t + 1
Интегрируем
I = 2 ln  | t |  + 32 ⋅ 12t + 1 – 32 ln  | 2t + 1 |  + C

Ответ

I = 2 ln  | t |  + 32 ⋅ 12t + 1 – 32 ln  | 2t + 1 |  + C
где
t = √ x 2  – x + 1  – x

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню