Методы решения физико-математических задач

Метод интегрирования неопределенного интеграла по частям

Формула интегрирования по частям
Представлен метод интегрирования неопределенного интеграла по частям. Даны примеры интегралов, вычисляющихся этим методом. Разобраны примеры решений.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\DeclareMathOperator{\tg}{tg})() ()(\DeclareMathOperator{\ctg}{ctg})()

Формула интегрирования по частям

Формула интегрирования по частям имеет вид:
udv = uv – vdu .

Метод интегрирования по частям состоит в применении этой формулы. Здесь u и v являются функциями от переменной интегрирования. Пусть переменная интегрирования обозначена как x (символ после знака дифференциала d в конце записи интеграла) . Тогда u и v являются функциями от x :   u = u(x ),  v = v(x ) .
Тогда
dv = dvdxdx = v(x ) dx ,     du = dudxdx = u(x ) dx .
Формула интегрирования по частям принимает вид:
u(x )v(x ) dx =u(x )v(x ) – v(x )u(x ) dx .

То есть подынтегральная функция должна состоять из произведения двух функций:
g(x ) f (x ) dx ,
одну из которых обозначаем как u :   g(x ) = u , а у другой должен вычисляться интеграл (точнее находиться первообразная):
v =   f (x ) dx , тогда dv =  f (x ) dx .

В некоторых случаях f (x ) = 1 . То есть в интеграле
g(x ) dx ,
можно положить   g(x ) = u,  x = v .

Резюме

Итак, в данном методе, формулу интегрирования по частям стоит запомнить и применять в двух формах:
udv = uv – vdu ;
u(x )v(x ) dx = u(x ) dv(x ) =u(x )v(x ) – v(x )u(x ) dx .

Интегралы, вычисляющиеся интегрированием по частям

Интегралы, содержащие логарифм и обратные тригонометрические (гиперболические) функции

По частям часто интегрируются интегралы, содержащие логарифм и обратные тригонометрические или гиперболические функции. При этом ту часть, которая содержит логарифм или обратные тригонометрические (гиперболические) функции обозначают через u , оставшуюся часть – через dv .

Интегралы, содержащие произведение многочлена и sin x, cos x или ex

По формуле интегрирования частям находятся интегралы вида:
P(x )eax  dx ,   P(x ) cos axdx ,   P(x ) sin axdx ,
где P(x ) – многочлен от x . При интегрировании, P(x ) обозначают через u . Через dv обозначают eax  dx,  cos axdx или sin axdx .

Примеры вычисления интегралов методом интегрирования по частям

Все примеры

В этом разделе рассмотрены следующие примеры решений неопределенных интегралов:
x 2 ln xdx   x ln 2xdx   x ln (x 2  – 1 ) dx   x arcsin xdx(1 – x 2 )  1 – x 2   x 7 arctg xdx   arcsin xx 2  dx   x 4e – x  dx   x 2 sin (2x + 3 ) dx    (x 2  + 3x + 5 ) cos 2xdx

Пример вычисления интеграла, содержащего логарифм

Пример

Все примеры

Вычислить интеграл:
x 2 ln xdx

Подробное решение

Здесь подынтегральное выражение содержит логарифм. Делаем подстановки
u = ln x ,
dv = x 2  dx .
Тогда
du = d ln xdxdx = (ln x )dx = dxx ,
v = x 2dx = 12 + 1x 2 + 1  = 13x 3 .

I = x 2 ln xdx =  ln x ⋅ x 2  dx =udv = uv – vdu = ln x ⋅ 13x 3  – 13x 3dxx =x 33 ln x – 13x 2  dx .

Вычисляем оставшийся интеграл:
x 2  dx = 12 + 1x 2 + 1  = 13x 3 .
Тогда
I = x 33 ln x – 13x 2  dx =x 33 ln x – 19x 3  + C .
В конце вычислений нужно обязательно добавить постоянную C , поскольку неопределенный интеграл – это множество всех первообразных. Также ее можно было добавлять и в промежуточных вычислениях, но это лишь загромождало бы выкладки.

Более короткое решение

Можно представить решение и в более коротком варианте. Для этого не нужно делать подстановки с u и v , а можно сгруппировать сомножители и применить формулу интегрирования по частям во втором виде.

I = x 2 ln xdx =  ln x ⋅ x 2  dx = ln x ⋅ d(x 33  ) = ln x ⋅ (x 33  ) – x 33 (ln x )dx =x 33 ln x – 13x 3dxx =x 33 ln x – 13x 2  dx =x 33 ln x – 19x 3  + C .

Ответ

I = x 33 ln x – 19x 3  + C

Пример вычисления интеграла, содержащего произведение многочлена и ex

Пример

Все примеры

Вычислить интеграл:
x 4e – x  dx .

Решение

Введем экспоненту под знак дифференциала:
e – x  dx = – e – x  d(– x ) = – d(e – x  ) .

Интегрируем по частям.
I = x 4e – x  dx = – x 4  de – x  = – (x 4  e – x  –  (x 4 )e – x  dx  ) = – x 4  e – x  + 4 x 3  e – x  dx .
Также применяем метод интегрирования по частям.
I2  = x 3e – x  dx = – x 3  de – x  = – (x 3  e – x  –  (x 3 )e – x  dx  ) = – x 3  e – x  + 3 x 2  e – x  dx .
I3  = x 2e – x  dx = – x 2  de – x  = – (x 2  e – x  –  (x 2 )e – x  dx  ) = – x 2  e – x  + 2 xe – x  dx .
I4  = xe – x  dx = – xde – x  = – (xe – x  – e – x  dx  ) = – xe – x  + e – x  dx = – xe – x  – e – x .
Окончательно имеем:
I = – x 4  e – x  + 4I2  = – x 4  e – x  – 4x 3  e – x  + 12I3  = – x 4  e – x  – 4x 3  e – x  – 12x 2  e – x  + 24I4  = – x 4  e – x  – 4x 3  e – x  – 12x 2  e – x  – 24xe – x  – 24e – x  = – (x 4  + 4x 3  +    12x 2  + 24x + 24  )e – x .

Ответ

I =  – (x 4  + 4x 3  +    12x 2  + 24x + 24  )e – x  + C .

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню