Примеры решений интегралов по частям, содержащих произведение многочлена на sin x, cos x или ex
Формула интегрирования по частям
При решении примеров этого раздела, используется формула интегрирования по частям:
∫ u dv = uv – ∫ v du ;
∫ u(x )v ′(x ) dx = ∫ u(x ) d v(x ) = u(x )v(x ) – ∫ v(x )u ′(x ) dx .
Подробнее >>>
Примеры интегралов, содержащих произведение многочлена и sin x, cos x или ex
Все примеры Вот примеры таких интегралов:
∫ x 4 e – x  dx , ∫ x 2 sin (2x + 3 ) dx , ∫ (x 2  + 3x + 5 ) cos 2x dx .
Для интегрирования подобных интегралов, многочлен обозначают через u , а оставшуюся часть – через v dx . Далее применяют формулу интегрирования по частям.
Ниже дается подробное решение этих примеров.
Примеры решения интегралов
Пример с экспонентой, е в степени х
Все примеры Определить 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  =
здесь u = x 4 , v = e – x , du = ( x 4  ) ′dx
– ( x 4  e – x  – ∫ (x 4 ) ′ e – x  dx  ) = – x 4  e – x  + 4 ∫ x 3  e – x  dx .
Оставшийся интеграл также интегрируем 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 .
Пример определения интеграла с синусом
Все примеры Вычислить интеграл:
∫ x 2 sin (2x + 3 ) dx .
Решение
Введем синус под знак дифференциала:
sin (2x + 3 ) dx = 12 sin (2x + 3 ) d (2x + 3 ) = – 12 d cos (2x + 3 )
Интегрируем по частям.
I = ∫ x 2 sin (2x + 3 ) dx = – 12 ∫ x 2  d cos (2x + 3 ) =
здесь u = x2 , v = cos(2x+3) , du = (x2)′ dx
– 12 ( x 2 cos (2x + 3 ) –    ∫ (x 2 ) ′ cos (2x + 3 ) dx  ) = – 12 x 2 cos (2x + 3 ) + 12 ∫ 2x cos (2x + 3 ) dx = – 12 x 2 cos (2x + 3 ) + ∫ x cos (2x + 3 ) dx
Оставшийся интеграл также интегрируем по частям. Для этого вводим косинус под знак дифференциала.
cos (2x + 3 ) dx = 12 cos (2x + 3 ) d (2x + 3 ) = 12 d sin (2x + 3 )
I2  = ∫ x cos (2x + 3 ) dx = 12 ∫ x d sin (2x + 3 ) =
здесь u = x , v = sin(2x+3) , du = dx
12 (x sin (2x + 3 ) –  ∫ sin (2x + 3 ) dx  ) = 12 (x sin (2x + 3 ) +  12 cos (2x + 3 ) ) = 12 x sin (2x + 3 ) + 14 cos (2x + 3 )
Окончательно имеем:
I = – 12 x 2 cos (2x + 3 ) + I2  = – 12 x 2 cos (2x + 3 ) + 12 x sin (2x + 3 ) + 14 cos (2x + 3 )
Ответ
I = 14 ( 1 – 2x 2  ) cos (2x + 3 ) + 12 x sin (2x + 3 ) + C .
Пример произведения многочлена и косинуса
Все примеры Вычислить интеграл:
∫ (x 2  + 3x + 5 ) cos 2x dx .
Решение
Введем косинус под знак дифференциала:
cos 2x dx = 12 cos 2x d 2x = 12 d sin 2x
Интегрируем по частям.
I = ∫ (x 2  + 3x + 5 ) cos 2x dx = 12 ∫ (x 2  + 3x + 5 ) d sin 2x =
здесь u = x2 + 3x + 5 , v = sin 2x , du = (x2 + 3x + 5)′ dx
12 ((x 2  + 3x + 5 ) sin 2x –  ∫ (x 2  + 3x + 5 ) ′ sin 2x dx  ) = 12 (x 2  + 3x + 5 ) sin 2x – 12 ∫ (2x + 3 ) sin 2x dx = 12 (x 2  + 3x + 5 ) sin 2x – 32 ∫ sin 2x dx – ∫ x sin 2x dx
Вводим синус под знак дифференциала:
sin 2x dx = 12 sin 2x d 2x = – 12 d cos 2x
Тогда
I2  = ∫ sin 2x dx = – 12 cos 2x
Последний интеграл интегрируем по частям
I3  = ∫ x sin 2x dx = – 12 ∫ x d cos 2x =
здесь u = x , v = cos 2x , du = dx
– 12 ( x cos 2x – ∫ cos 2x dx  ) = – 12 ( x cos 2x – 12 sin 2x  ) = – 12 x cos 2x + 14 sin 2x
Окончательно имеем:
I = 12 (x 2  + 3x + 5 ) sin 2x – 32 I2  – I3  = 12 (x 2  + 3x + 5 ) sin 2x – 32 ( – 12 cos 2x  ) – ( – 12 x cos 2x + 14 sin 2x  ) = 12 (x 2  + 3x + 5 ) sin 2x + 34 cos 2x + 12 x cos 2x – 14 sin 2x = 14 (2x 2  + 6x + 9 ) sin 2x + 14 (2x + 3 ) cos 2x .
Ответ
I = 14 (2x 2  + 6x + 9 ) sin 2x + 14 (2x + 3 ) cos 2x + C .
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: