Метод интегрирования неопределенного интеграла по частям
Формула интегрирования по частям
Формула интегрирования по частям имеет вид:
∫ u dv = uv – ∫ v du .
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 = dvdx dx = v ′(x ) dx , du = dudx dx = 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:
∫ u dv = uv – ∫ v du ;
∫ u(x )v ′(x ) dx = ∫ u(x ) d v(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 )e ax  dx , ∫ P(x ) cos ax dx , ∫ P(x ) sin ax dx ,
где P(x ) – многочлен от x . При интегрировании, P(x ) обозначают через u . Через dv обозначают e ax  dx, cos ax dx или sin ax dx .
Примеры вычисления интегралов методом интегрирования по частям
Все примеры В этом разделе рассмотрены следующие примеры решений неопределенных интегралов:
∫ x 2 ln x dx ∫ x ln 2 x dx ∫ x ln (x 2  – 1 ) dx ∫ x arcsin x dx(1 – x 2 ) √ 1 – x 2  ∫ x 7 arctg x dx ∫ arcsin xx 2 dx ∫ x 4 e – x  dx ∫ x 2 sin (2x + 3 ) dx ∫ (x 2  + 3x + 5 ) cos 2x dx
Пример вычисления интеграла, содержащего логарифм
Пример
Все примеры Вычислить интеграл:
∫ x 2 ln x dx
Подробное решение
Здесь подынтегральное выражение содержит логарифм. Делаем подстановки
u = ln x ,
dv = x 2  dx .
Тогда
du = d ln xdx dx = (ln x ) ′dx = dxx ,
v = ∫ x 2 dx = 12 + 1 x 2 + 1  = 13 x 3 .
I = ∫ x 2 ln x dx = ∫ ln x ⋅ x 2  dx = ∫ u dv = uv – ∫ v du = ln x ⋅ 13 x 3  – ∫ 13 x 3 dxx = x 33 ln x – 13 ∫ x 2  dx .
Вычисляем оставшийся интеграл:
∫ x 2  dx = 12 + 1 x 2 + 1  = 13 x 3 .
Тогда
I = x 33 ln x – 13 ∫ x 2  dx = x 33 ln x – 19 x 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 x dx = ∫ ln x ⋅ x 2  dx = ∫ ln x ⋅ d( x 33  ) = ln x ⋅ ( x 33  ) – ∫ x 33 (ln x ) ′ dx = x 33 ln x – 13 ∫ x 3 dxx = x 33 ln x – 13 ∫ x 2  dx = x 33 ln x – 19 x 3  + C .Ответ
I = x 33 ln x – 19 x 3  + C
Пример вычисления интеграла, содержащего произведение многочлена и ex
Пример
Все примеры Вычислить интеграл:
∫ x 4 e – x  dx .
Решение
Введем экспоненту под знак дифференциала:
e – x  dx = – e – x  d(– x ) = – d( e – x  ) .
Интегрируем по частям.
I = ∫ x 4 e – x  dx = – ∫ x 4  d e – 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 3 e – x  dx = – ∫ x 3  d e – x  = – ( x 3  e – x  – ∫ (x 3 ) ′ e – x  dx  ) = – x 3  e – x  + 3 ∫ x 2  e – x  dx .
I3  = ∫ x 2 e – x  dx = – ∫ x 2  d e – x  = – ( x 2  e – x  – ∫ (x 2 ) ′ e – x  dx  ) = – x 2  e – x  + 2 ∫ x e – x  dx .
I4  = ∫ xe – x  dx = – ∫ x d e – x  = – ( x e – x  – ∫ e – x  dx  ) = – x e – x  + ∫ e – x  dx = – x e – 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  – 24x e – 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: