Вычисление интегралов от многочлена дробь степень от двучлена квадратный корень из квадратного трехчлена
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 ) n √ ax 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 ) dx√ ax 2  + bx + c 
Второй – исходного типа с правильной дробью:
∫ Pn – 1 (x ) dx(x – α ) n √ ax 2  + bx + c  ,
Подстановкой t = (x – α)–1 этот интеграл приводится к интегралу вида:
∫ Qn – 1 (t ) dt√ et 2  + ft + g  .
Здесь Qn–1 – многочлен, степени не выше n – 1 . Таким образом, вычисление исходных интегралов сводится к вычислению интегралов вида
∫ Q(t ) dt√ et 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 2 x 2  I = ∫ dxx √ x 2  – 1  , демонстрирующих извлечение квадратного корня из квадрата, и влияние этой операции на конечный результат. В конце решим более сложный интеграл I = ∫ x dx(x – 1 ) 2 √ x 2  + 1 
Пример 1
Все примеры Вычислим интеграл
I = ∫ dxx √ 1 – a 2 x 2 
I = ∫ dxx √ 1 – a 2 x 2  = ∫ dxx √ x 2 (x – 2  – a 2 )  = ∫ dxx | x | √ (x – 2  – a 2 )  =
± ∫ dxx 2 √ (x – 2  – a 2 )  = ± ∫ x – 2  dx√ x – 2  – a 2  = ∓ ∫d( x – 1  )√ (( x – 1  ) 2  – a 2 )  =
∓ ln | x – 1  + √ x – 2  – a 2   | = ∓ ln | 1x + √ 1 – a 2 x 2x 2   | = ∓ ln | 1x + √ 1 – a 2 x 2  | x |  | =
∓ ln | 1x ± √ 1 – a 2 x 2 x  |
Здесь верхний знак соответствует значениям x > 0 . Нижний – значениям x < 0 .
Таким образом, при x > 0
I = – ln | 1x + √ 1 – a 2 x 2 x  | + C
При x < 0
I = ln | 1x – √ 1 – a 2 x 2 x  | + C = – ln | 1x + √ 1 – a 2 x 2 x  | + 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 2 x 2 x  | + C = – ln 1 + √ 1 – a 2 x 2  | x | + C
Пример 2
Все примеры Вычислим интеграл
I = ∫ dxx √ x 2  – 1 
I = ∫ dxx √ x 2  – 1  = ∫ dxx √ x 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 = ∫ x dx(x – 1 ) 2 √ x 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 = ∫ x dx(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 = A s + B ∫ dts
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 = A 2t + 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  – 12 ∫ dt√ 2t 2  + 2t + 1  = – 12 s – 12 I2 .
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 = – 12 s – 12 I2  = ∓ √ 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: