Методы решения физико-математических задач

Вычисление интегралов от многочлена дробь квадратный корень из квадратного трехчлена

Интеграл от многочлена дробь корень квадратный из трехчлена
Рассмотрен метод вычисления интеграла от дроби, в числителе которой находится многочлен, а в знаменателе – квадратный корень из трехчлена. Наиболее простым методом вычисления таких интегралов является метод неопределенных коэффициентов. Приведено доказательство применимости этого метода. Разобран пример вычисления такого интеграла.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})()

Метод неопределенных коэффициентов

Рассмотрим интеграл из дроби, в числителе которой стоит многочлен степени n , а в знаменателе - квадратный корень из квадратного трехчлена:
Pn (x ) dxax 2  + bx + c

Такие интегралы находятся методом неопределенных коэффициентов, используя тождество:
Pn (x ) dxax 2  + bx + c = (A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅ax 2  + bx + c +An + 1dxax 2  + bx + c
Для нахождения коэффициентов Ai , нужно продифференцировать это уравнение и приравнять левую и правую части.

Доказательство

Для доказательства, продифференцируем это уравнение. Сначала получим выражения для некоторых производных, входящих в уравнение.
(Pn (x ) dxax 2  + bx + c  ) =Pn (x )ax 2  + bx + c
(dxax 2  + bx + c  ) =1ax 2  + bx + c
(ax 2  + bx + c  ) =((ax 2  + bx + c  )12  ) =12(ax 2  + bx + c  )12 – 1  ⋅ (ax 2  + bx + c ) =
12(ax 2  + bx + c  ) – 12  ⋅ (2ax + b ) =ax + b / 2ax 2  + bx + c
( (A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅    ax 2  + bx + c  ) =
(A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅ax 2  + bx + c +
 (A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅(ax 2  + bx + c  ) =
(A1 (n – 1 ) xn – 2  +A2 (n – 2 ) xn – 3  + ... + An – 1 ) ⋅ ax 2  + bx + cax 2  + bx + c +
 (A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅ax + b / 2ax 2  + bx + c =
1ax 2  + bx + c ⋅ [(A1 (n – 1 ) xn – 2  +A2 (n – 2 ) xn – 3  + ...  + An – 1 ) ⋅ (ax 2  + bx + c ) +
(A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅ (ax + b / 2 )]

Дифференцируем все уравнение.
(Pn (x ) dxax 2  + bx + c  ) =( (A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅    ax 2  + bx + c  ) +
An + 1(dxax 2  + bx + c  )
Подставляем полученные ранее формулы.
Pn (x )ax 2  + bx + c =
1ax 2  + bx + c ⋅ [(A1 (n – 1 ) xn – 2  +A2 (n – 2 ) xn – 3  + ...  + An – 1 ) ⋅ (ax 2  + bx + c ) +
 (A1xn – 1  + A2xn – 2  + ...  + An ) ⋅ (ax + b / 2 )]+ An + 1ax 2  + bx + c
Умножаем на ax 2  + bx + c , раскрываем скобки и представим многочлен Pn (x)в явном виде.

Pn (x ) = pnxn  + pn – 1xn – 1  +  ... p1x + p0  =
 (A1 (n – 1 )a + A1a ) xn  +
 (A1 (n – 1 )b + A2 (n – 2 )a +A1b / 2 + A2a ) xn – 1  +
 (A1 (n – 1 )c + A2 (n – 2 )b +A3 (n – 3 )a + A2b / 2 + A3a ) xn – 2  +
  . . . . . . . +
 (An – 2c + An – 1b +An – 1b / 2 + Ana ) x +
An – 1c + Anb / 2 + An + 1

Сравнивая левую и правую части, получаем систему уравнений.
naA1  = pn
(n – 1 / 2 )bA1  + (n – 1 )aA2  = pn – 1
(n – 1 )cA1  + (n – 3 / 2 )bA2  + (n – 2 )aA3  = pn – 2
  . . . . . . .
cAn – 2  + (3b / 2 )An – 1  + aAn  = p1
cAn – 1  + (b / 2 )An  + An + 1  = p0

Отсюда видно, что система имеет решение, поскольку из первого уравнения можно определить A1 , из второго – A2 , и так далее.

Вычисление интеграла dx дробь квадратный корень из квадратного трехчлена

Применение метода, изложенного в данной странице, приводит к вычислению интеграла вида:
I = dxax 2  + bx + c
Для его вычисления нужно выполнить преобразование:
ax 2  + bx + c = a(x 2  + bax + ca  ) =a(x 2  + 2 b2ax +    (b2a  ) 2  – (b2a  ) 2  + ca  ) =
a((x + b2a  ) 2  – (b2a  ) 2  + ca  )
После чего подстановкой
t = x + b2a ,
в зависимости от значений постоянных a, b, c , он приводится к одному из табличных интегралов:
I = 1adtt 2  ± s 2 =1a ln |t + t 2  ± s 2  |
I = 1 – adts 2  – t 2 =1 – a arcsin ts

Пример

Все примеры

Вычислить интеграл:
I = (x 2  + 1 ) dx – x 2  + 3x – 2 

Решение

Ищем решение в виде:
I = (x 2  + 1 ) dx – x 2  + 3x – 2  = (Ax + B )  – x 2  + 3x – 2  +Ddx – x 2  + 3x – 2 
где A, B, D – постоянные. Для их определения, дифференцируем обе части уравнения.

Выполняем вспомогательные вычисления.
( – x 2  + 3x – 2   ) =( (– x 2  + 3x – 2 )12  ) =12 (– x 2  + 3x – 2 )12 – 1 (– x 2  + 3x – 2 ) =
12 (– x 2  + 3x – 2 ) – 12 (– 2x + 3 ) =– x + 3 / 2 – x 2  + 3x – 2  ;
( (Ax + B )  – x 2  + 3x – 2   ) =
 (Ax + B ) – x 2  + 3x – 2  + (Ax + B )( – x 2  + 3x – 2   ) =
A– x 2  + 3x – 2 – x 2  + 3x – 2  + (Ax + B ) – x + 3 / 2 – x 2  + 3x – 2  =
1 – x 2  + 3x – 2  ⋅ (A(– x 2  + 3x – 2 ) + (Ax + B )(– x + 3 / 2 )) =
1 – x 2  + 3x – 2  ⋅ (– 2Ax 2  + ((9 / 2 )A – B )x – 2A + (3 / 2 )B ) .

Дифференцируем все уравнение.
((x 2  + 1 ) dx – x 2  + 3x – 2   ) =
( (Ax + B )  – x 2  + 3x – 2   ) +D(dx – x 2  + 3x – 2   ) ;
(x 2  + 1 ) – x 2  + 3x – 2  =1 – x 2  + 3x – 2  ⋅ (– 2Ax 2  + ((9 / 2 )A – B )x – 2A + (3 / 2 )B ) + D – x 2  + 3x – 2  .
Умножаем на  – x 2  + 3x – 2  .
x 2  + 1 = – 2Ax 2  + ((9 / 2 )A – B ) x – 2A + (3 / 2 )B + D .
Отсюда
2A = 1 ;   (9/2)A – B = 0 ;   2A + (3/2)B + D = 1 .
A = – 12 ;   B = 92A = – 94 ;   D = 1 + 2A – 32B = 1 – 1 + 278 = 278 .

Вычисляем оставшийся интеграл. Для этого преобразуем трехчлен под знаком квадратного корня и интегрируем.
– x 2  + 3x – 2 = – (x 2  – 2 ⋅ 32x + (32  ) 2  ) +(32  ) 2  – 2 = – (x – 32  ) 2  + 94 – 84 =
(12  ) 2  – (x – 32  ) 2 ;
dx – x 2  + 3x – 2  =d(x – 32  )(12  ) 2  – (x – 32  ) 2 = arcsin x – 3212 = arcsin (2x – 3 ) .

Окончательно имеем:
I = (x 2  + 1 ) dx – x 2  + 3x – 2  = (Ax + B )  – x 2  + 3x – 2  +Ddx – x 2  + 3x – 2  =
( – 12x – 94  ) – x 2  + 3x – 2  +278 arcsin (2x – 3 )

Ответ

I = – 14 (2x + 9 )  – x 2  + 3x – 2  +278 arcsin (2x – 3 ) + C

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню