Вычисление интегралов от многочлена дробь квадратный корень из квадратного трехчлена
Метод неопределенных коэффициентов
Рассмотрим интеграл из дроби, в числителе которой стоит многочлен степени n , а в знаменателе - квадратный корень из квадратного трехчлена:
∫ Pn (x ) dx√ ax 2  + bx + c 
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 
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 ) dx√ ax 2  + bx + c   ) ′ = Pn (x )√ ax 2  + bx + c 
( ∫ dx√ ax 2  + bx + c   ) ′ = 1√ ax 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 / 2√ ax 2  + bx + c 
( (A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ... + An ) ⋅    √ ax 2  + bx + c   ) ′ =
(A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ... + An ) ′ ⋅ √ ax 2  + bx + c  +
(A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ... + An ) ⋅ ( √ ax 2  + bx + c   ) ′ =
(A1 (n – 1 ) x n – 2  + A2 (n – 2 ) x n – 3  + ... + An – 1 ) ⋅ ax 2  + bx + c√ ax 2  + bx + c  +
(A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ... + An ) ⋅ ax + b / 2√ ax 2  + bx + c  =
1√ ax 2  + bx + c  ⋅ [(A1 (n – 1 ) x n – 2  + A2 (n – 2 ) x n – 3  + ... + An – 1 ) ⋅ (ax 2  + bx + c ) +
(A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ... + An ) ⋅ (ax + b / 2 )]
Дифференцируем все уравнение.
( ∫ 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   ) ′
Подставляем полученные ранее формулы.
Pn (x )√ ax 2  + bx + c  =
1√ ax 2  + bx + c  ⋅ [(A1 (n – 1 ) x n – 2  + A2 (n – 2 ) x n – 3  + ... + An – 1 ) ⋅ (ax 2  + bx + c ) +
(A1 x n – 1  + A2 x n – 2  + ... + An ) ⋅ (ax + b / 2 )]+ An + 1√ ax 2  + bx + c 
Умножаем на √ ax 2  + bx + c  , раскрываем скобки и представим многочлен Pn (x)в явном виде.
Pn (x ) = pn x n  + pn – 1 x n – 1  + ... p1 x + p0  =
(A1 (n – 1 )a + A1 a ) x n  +
(A1 (n – 1 )b + A2 (n – 2 )a + A1 b / 2 + A2 a ) x n – 1  +
(A1 (n – 1 )c + A2 (n – 2 )b + A3 (n – 3 )a + A2 b / 2 + A3 a ) x n – 2  +
. . . . . . . +
(An – 2 c + An – 1 b + An – 1 b / 2 + An a ) x +
An – 1 c + An b / 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 = ∫ dx√ ax 2  + bx + c 
Для его вычисления нужно выполнить преобразование:
ax 2  + bx + c = a( x 2  + ba x + ca  ) = a( x 2  + 2 b2a x +    ( 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 = 1√ a  ∫ dt√ t 2  ± s 2  = 1√ a  ln | t + √ t 2  ± s 2   |
I = 1√ – a  ∫ dt√ s 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  + D ∫ dx√ – 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 = – 2A x 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 = 92 A = – 94 ; D = 1 + 2A – 32 B = 1 – 1 + 278 = 278 .
Вычисляем оставшийся интеграл. Для этого преобразуем трехчлен под знаком квадратного корня и интегрируем.
– x 2  + 3x – 2 = – ( x 2  – 2 ⋅ 32 x + ( 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  + D ∫ dx√ – x 2  + 3x – 2  =
( – 12 x – 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: