Методы решения физико-математических задач

Примеры решений интегралов по частям, содержащих произведение многочлена на sin x, cos x или ex

Интегрирование произведения многочлена и экспоненты
Подробно рассмотрены примеры решений интегралов по частям, подынтегральное выражение которых является произведением многочлена на экспоненту (е в степени х) или на синус (sin x) или на косинус (cos x).
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\DeclareMathOperator{\tg}{tg})() ()(\DeclareMathOperator{\ctg}{ctg})()

Формула интегрирования по частям

При решении примеров этого раздела, используется формула интегрирования по частям:
udv = uv – vdu ;
u(x )v(x ) dx = u(x ) dv(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 4e – x  dx ,   x 2 sin (2x + 3 ) dx ,    (x 2  + 3x + 5 ) cos 2xdx .

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 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  =
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 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 .

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 = – 12x 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  ) = – 12x 2  cos (2x + 3 ) +12 2x  cos (2x + 3 ) dx = – 12x 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 =12xd  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 ) ) =12x  sin (2x + 3 ) + 14 cos (2x + 3 )
Окончательно имеем:
I = – 12x 2  cos (2x + 3 ) + I2  = – 12x 2  cos (2x + 3 ) +12x  sin (2x + 3 ) + 14 cos (2x + 3 )

Ответ

I = 14( 1 – 2x 2  )  cos (2x + 3 ) +12x  sin (2x + 3 ) + C .

Пример произведения многочлена и косинуса

Все примеры

Вычислить интеграл:
 (x 2  + 3x + 5 ) cos 2xdx .

Решение

Введем косинус под знак дифференциала:
cos 2xdx = 12 cos 2xd 2x =12  d  sin 2x

Интегрируем по частям.
I =  (x 2  + 3x + 5 ) cos 2xdx =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 2xdx  ) =12 (x 2  + 3x + 5 )  sin 2x –12 (2x + 3 )  sin 2xdx =12 (x 2  + 3x + 5 )  sin 2x –32 sin 2xdx – x  sin 2xdx

Вводим синус под знак дифференциала:
sin 2xdx = 12 sin 2xd 2x = – 12  d  cos 2x

Тогда
I2  =  sin 2xdx = – 12  cos 2x

Последний интеграл интегрируем по частям
I3  = x  sin 2xdx = – 12xd  cos 2x =
здесь u = x , v = cos 2x , du = dx
– 12(x  cos 2x –  cos 2xdx  ) = – 12(x  cos 2x – 12 sin 2x  ) = – 12x  cos 2x + 14 sin 2x

Окончательно имеем:
I = 12 (x 2  + 3x + 5 )  sin 2x –32I2  – I3  =12 (x 2  + 3x + 5 )  sin 2x –32( – 12  cos 2x  ) –( – 12x  cos 2x + 14 sin 2x  ) =12 (x 2  + 3x + 5 )  sin 2x +34  cos 2x + 12x  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:

Меню