Методы решения физико-математических задач

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

Интегрирование многочлена дробь степень корень квадратный из трехчлена
Представлен метод вычисления интегралов, в числителе дроби которых находится многочлен, а в знаменателе – произведение натуральной степени от линейной функции и квадратный корень из квадратного трехчлена. Разобраны примеры вычислений таких интегралов.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\sign}{\mathop{\mathrm{sign}}\nolimits})()

Метод интегрирования

Рассмотрим интеграл от дроби, в числителе которой стоит многочлен степени m, а в знаменателе - целая положительная степень от линейной функции и квадратный корень из квадратного трехчлена:
Pm (x ) dx(x – α )nax 2  + bx + c .
Здесь n - натуральное число.

Если m ≥ n , то у дроби   Pm (x )(x – α )n   следует выделить целую часть, после чего интеграл разбивается на два интеграла. Один – без степенной функции в знаменателе:
Pm – n (x ) dxax 2  + bx + c
Второй – исходного типа с правильной дробью:
Pn – 1 (x ) dx(x – α )nax 2  + bx + c ,

Подстановкой   t = (x – α)–1 этот интеграл приводится к интегралу вида:
Qn – 1 (t ) dtet 2  +  ft + g .
Здесь Qn–1 – многочлен, степени не выше n – 1 . Таким образом, вычисление исходных интегралов сводится к вычислению интегралов вида
Q(t ) dtet 2  +  ft + g .
Метод интегрирования таких интегралов разобран на странице
Вычисление интегралов от многочлена дробь квадратный корень из квадратного трехчлена > > >.

Важное замечание

При вычислении подобных интегралов, после подстановки, приходится извлекать квадратный корень из квадрата: t 2 . При этом нужно 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 обратном преобразовании к переменной x , эти знаки, как правило, взаимно сокращаются.

Также возможен второй подход, в котором мы не следим за знаком подкоренного выражения, а получаем многозначную комплексную функцию. Более подробно см здесь > > >.

Полезная формула

Отметим полезную формулу, которую стоит помнить, выполняя преобразования:
ln |τ – τ 2  ± σ 2  | = – ln |τ + τ 2  ± σ 2  | + ln σ 2
В частности, при σ = 1 ,
ln |τ – τ 2  ± 1   | = – ln |τ + τ 2  ± 1   |

Для доказательства, применим формулу:
(a – b)(a + b) = a 2 – b 2
Положим a = τ , b = τ 2  ± σ 2 ,  b 2  = τ 2  ± σ 2 .
(τ – τ 2  ± σ 2  )(τ + τ 2  ± σ 2  ) = ∓ σ 2
Приравняем модули и логарифмируем:
|τ – τ 2  ± σ 2  | ⋅ |τ + τ 2  ± σ 2  | = σ 2 ;
ln |τ – τ 2  ± σ 2  | + ln |τ + τ 2  ± σ 2  | = ln σ 2 ;
Отсюда
ln |τ – τ 2  ± σ 2  | = – ln |τ + τ 2  ± σ 2  | + ln σ 2

Примеры

Все примеры

Здесь рассмотрим два простых примера
I = dxx 1 – a 2x 2   I = dxxx 2  – 1    , демонстрирующих извлечение квадратного корня из квадрата, и влияние этой операции на конечный результат. В конце решим более сложный интеграл I = xdx(x – 1 ) 2x 2  + 1 

Пример 1

Все примеры

Вычислим интеграл
I = dxx 1 – a 2x 2

I = dxx 1 – a 2x 2 =dxxx 2 (x – 2  – a 2 )  =dxx | x |  (x – 2  – a 2 )  =
± dxx 2 (x – 2  – a 2 )  = ± x – 2  dxx – 2  – a 2 = ∓ d(x – 1  ) ((x – 1  ) 2  – a 2 )  =
∓ ln |x – 1  + x – 2  – a 2  | = ∓ ln |1x + 1 – a 2x 2x 2  | = ∓ ln |1x +  1 – a 2x 2 | x |   | =
∓ ln |1x ±  1 – a 2x 2x  |
Здесь верхний знак соответствует значениям x > 0 . Нижний – значениям x < 0 .

Таким образом, при x > 0
I = – ln |1x +  1 – a 2x 2x  | + C
При x < 0
I = ln |1x –  1 – a 2x 2x  | + C = – ln |1x +  1 – a 2x 2x  | + ln a 2  + C ;

Постоянную ln a 2 включим в C . В результате получаем выражение для интеграла в виде одной формулы, справедливой как для x > 0 , так и для x < 0 :
I = – ln |1x +  1 – a 2x 2x  | + C = – ln 1 +  1 – a 2x 2 | x |  + C

Пример 2

Все примеры

Вычислим интеграл
I = dxxx 2  – 1 

I = dxxx 2  – 1  =dxxx 2 (1 – x – 2 )  =dxx | x |  (1 – x – 2 )  =
± dxx 2 (1 – x – 2 )  = ± x – 2  dx 1 – x – 2 = ∓ d(x – 1  ) (1 – (x – 1  ) 2 )  =
∓ arcsin (x – 1 ) = ∓ arcsin 1x = – arcsin ( ± 1x  ) = – arcsin (1± x  ) = – arcsin 1 | x | 
Здесь верхний знак соответствует значениям x > 0 . Нижний - значениям x < 0 .

Таким образом, если, для рассматриваемых интегралов, ответ выражается через арксинусы, то появляется знак модуля.

Более сложный пример

Все примеры

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

Решение

Здесь дробь x(x – 1 ) 2 правильная, поэтому выделять целую часть не нужно.

Делаем подстановку t = (x – 1) -1 . Для этого выполняем преобразования.
x 2  + 1 = x 2  – 2x + 1 + 2x – 2 + 2 = (x – 1 ) 2  + 2(x – 1 ) + 2 ;
(x – 1 ) 2( 1 + 2(x – 1 ) – 1  +    2(x – 1 ) – 2  ) = (x – 1 ) 2  s 2
Здесь s =  1 + 2(x – 1 ) – 1  + 2(x – 1 ) – 2 = 2t 2  + 2t + 1  .
Извлекаем корень.
x 2  + 1  =  (x – 1 ) 2  s 2 =  | x – 1 |  s = ± (x – 1 ) s
Далее будем считать, что верхний знак соответствует значениям x – 1 > 0 или, что тоже что, t > 0 . Нижний знак - значениям x – 1 < 0 (t < 0).
dt = ( (x – 1 ) – 1  )dx = – (x – 1 ) – 2  dx = – dx(x – 1 ) 2

Подставляем.
± I = xdx(x – 1 ) 3  s =x – 1 + 1x – 1 ⋅ dxs(x – 1 ) 2 =( 1 + (x – 1 ) – 1  )dxs (x – 1 ) 2 =
– (1 + t ) dts = – (1 + t ) dt 2t 2  + 2t + 1 
Решаем методом неопределенных коэффициентов. Ищем решение в виде:
± I = – (1 + t ) dts = As + Bdts
Дифференцируем по t .
s = (( 2t 2  + 2t + 1  ) 1 / 2  ) =12( 2t 2  + 2t + 1  ) – 1 / 2  ⋅( 2t 2  + 2t + 1  ) =
4t + 22s = 2t + 1s ;
– ((1 + t ) dts  ) =As + B(dts  ) ;
– (1 + t )s = A2t + 1s + Bs ;
– t – 1 = A(2t + 1 ) + B = 2At + A + B ;
2A = – 1 , A = – 1/2 , A + B = – 1 , B = – 1 – A = – 1/2 .

Итак, мы нашли:
± I = – 12 2t 2  + 2t + 1  –12dt 2t 2  + 2t + 1  = – 12s – 12I2 .

Вычисляем оставшийся интеграл.
s 2  = 2t 2  + 2t + 1 = 2(t 2  + t + 12  ) = 2(t 2  + 2 ⋅ t ⋅ 12 + 14 + 14  ) = 2((t + 12  ) 2  + (12  ) 2  ) ;
(t + 12  ) 2  + (12  ) 2 = s 2  ;
I2  = dt 2t 2  + 2t + 1  =1 2 d(t + 12  )(t + 12  ) 2  + (12  ) 2 =
1 2  ln |t + 12 + (t + 12  ) 2  + (12  ) 2| +C =
± 1 2  ln |t + 12 ± (t + 12  ) 2  + (12  ) 2| + C = ± 1 2  ln |  t + 12 ± s 2   | + C .
Здесь мы постоянную   ln (12  ) 2   включили в C .

Переходим к переменной x , используя полученную ранее формулу:   s = ± x 2  + 1 x – 1 .
I2  = ± 1 2  ln  | 1x – 1 + 12 +x 2  + 1  2  (x – 1 ) | + C =
± 1 2  ln (12 | 2x – 1 + 1 +    2 x 2  + 1  2  (x – 1 ) | ) + C =
± 1 2  ln (12 | 2 + x – 1x – 1 +     2(x 2  + 1 ) x – 1 | ) + C =
± 1 2  ln (12  ) ±1 2  ln |  x + 1 +  2x 2  + 2 x – 1  | + C =
± 1 2  ln |  x + 1 +  2x 2  + 2 x – 1  | + C .
Здесь мы постоянную   ± 1 2  ln (12  )   включили в C .

Окончательно имеем:
± I = – 12s – 12I2  = ∓ x 2  + 1 2(x – 1 ) ∓12  2  ln |  x + 1 +  2x 2  + 2 x – 1  | + C .

Ответ

I = – x 2  + 1 2(x – 1 ) –12  2  ln |  x + 1 +  2x 2  + 2 x – 1  | + C

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню