Методы решения физико-математических задач

Интегрирование простейших (элементарных) дробей

Интегралы от простейших дробей
Приводится вывод формул для вычисления интегралов от простейших, элементарных, дробей четырех типов. Более сложные интегралы, от дробей четвертого типа, вычисляются с помощью формулы приведения. Рассмотрен пример интегрирования дроби четвертого типа.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})()

Как известно, любую рациональную функцию от некоторой переменной x можно разложить на многочлен и простейшие, элементарные, дроби. Имеется четыре типа простейших дробей:
1)   1x – a ;
2)   1(x – a ) n ,  n > 1 ;
3)   Ax + Bx 2  + bx + c ,  b 2  – 4c < 0 ;
4)   Ax + B(x 2  + bx + c ) n ,  n > 1,  b 2  – 4c < 0 .
Здесь a, A, B, b, c – действительные числа. Уравнение   x 2 + bx + c = 0   не имеет действительных корней.

Интегрирование дробей первых двух типов

Интегрирование первых двух дробей выполняется с помощью следующих формул из таблицы интегралов:
∫ dtt = ln  | t |  + C ,
∫ t n  dt = 1n + 1 t n + 1  + C ,   n ≠ – 1 .

1. Интегрирование дроби первого типа

Дробь первого типа подстановкой  t = x – a  приводится к табличному интегралу:
∫ dxx – a = ∫ d(x – a )x – a = ln  | x – a |  + C .

2. Интегрирование дроби второго типа

Дробь второго типа приводится к табличному интегралу той же подстановкой  t = x – a :
∫ dx(x – a ) n = ∫ (x – a ) – n  d(x – a ) = 1– n + 1 (x – a ) – n + 1  + C =
 – 1n – 1 ⋅ 1(x – a ) n – 1 + C .

3. Интегрирование дроби третьего типа

Рассмотрим интеграл от дроби третьего типа:
I = ∫ Ax + Bx 2  + bx + c dx .
Будем вычислять его в два приема.

3.1. Шаг 1. Выделим в числителе производную знаменателя

Выделим в числителе дроби производную от знаменателя. Обозначим: u = x 2 + bx + c . Дифференцируем: u′ = 2x + b . Тогда
Ax + B = A2 (2x + b ) + B – bA2 = A2 u ′ + B – bA2 ;
I = ∫ Ax + Bx 2  + bx + c  dx = A2 ∫ u ′u  dx + ( B – bA2  ) ∫ dxx 2  + bx + c .
Но
∫ u ′u  dx = ∫dudx  dxu = ∫ duu = ln  | u |  = ln (x 2  + bx + c ) .
Мы опустили знак модуля, поскольку  x 2  + bx + c > 0 .

Тогда:
I = ∫ Ax + Bx 2  + bx + c  dx = A2 ln (x 2  + bx + c ) + ( B – bA2  )I1 ,
где
I1  = ∫ dxx 2  + bx + c .

3.2. Шаг 2. Вычисляем интеграл с A = 0, B=1

Теперь вычисляем оставшийся интеграл:
I1  = ∫ dxx 2  + bx + c .

Приводим знаменатель дроби к сумме квадратов:
x 2  + bx + c = x 2  + 2x b2 + ( b2  ) 2  + c – ( b2  ) 2  = ( x + b2  ) 2  + a 2 ,
где   a = √ c – ( b2  ) 2  .
Мы считаем, что уравнение x 2 + bx + c = 0 не имеет корней. Поэтому   c > ( b2  ) 2 .

Сделаем подстановку
x + b2 = at,  dx = a dt,  t = 2x + b2a ,
 x 2  + bx + c = ( x + b2  ) 2  + a 2  = a 2 (t 2  + 1 ) .
I1  = ∫ dxx 2  + bx + c = 1a ∫ dtt 2  + 1 = 1a arctg t = 1a arctg 2x + b2a .

Итак,
I1  = ∫ dxx 2  + bx + c = 1a arctg 2x + b2a ,  a = √ c – ( b2  ) 2  .

Тем самым мы нашли интеграл от дроби третьего типа:
I = ∫ Ax + Bx 2  + bx + c  dx = A2 ln (x 2  + bx + c ) + ( B – bA2  )I1  =
 A2 ln (x 2  + bx + c ) + ( B – bA2  ) 1a arctg 2x + b2a + C ,
где  a = √ c – ( b2  ) 2  .

4. Интегрирование дроби четвертого типа

И наконец, рассмотрим интеграл от дроби четвертого типа:
I = ∫ Ax + B(x 2  + bx + c ) n dx .
Вычисляем его в три приема.

4.1) Выделяем в числителе производную знаменателя:
I = ∫ Ax + B(x 2  + bx + c ) n  dx = – A2(n – 1 ) 1(x 2  + bx + c ) n – 1 + ( B – bA2  )In .

4.2) Вычисляем интеграл
I1  = ∫ dxx 2  + bx + c = 1a arctg 2x + b2a ,  a = √ c – ( b2  ) 2  .

4.3) Вычисляем интегралы
In  = ∫ dx(x 2  + bx + c ) n ,
используя формулу приведения:
(n – 1 )(4c – b 2 )In  = 2(2n – 3 )In – 1  + 2x + b(x 2  + bx + c ) n – 1 .

Далее мы приводим вывод этих формул, и пример вычисления интеграла от элементарной дроби четвертого типа.

4.1. Шаг 1. Выделение в числителе производной знаменателя

Выделим в числителе производную знаменателя, как мы это делали в разделе 3.1 ⇑. Обозначим   u = x 2 + bx + c . Дифференцируем: u′ = 2x + b . Тогда
Ax + B = A2 (2x + b ) + B – bA2 = A2 u ′ + B – bA2 .

I = ∫ Ax + B(x 2  + bx + c ) n  dx = A2 ∫ u ′u n  dx + ( B – bA2  ) ∫ dx(x 2  + bx + c ) n .
Но
∫ u ′u n  dx = ∫dudx  dxu n = ∫ duu n = ∫ u – n  du = 1– n + 1 u – n + 1  = – 1n – 1 1u n – 1 .

Окончательно имеем:
I = ∫ Ax + B(x 2  + bx + c ) n  dx = – A2(n – 1 ) 1(x 2  + bx + c ) n – 1 + ( B – bA2  )In .

4.2. Шаг 2. Вычисление интеграла с n = 1

Вычисляем интеграл
I1  = ∫ dxx 2  + bx + c .
Его вычисление изложено в разделе 3.2 ⇑.

4.3. Шаг 3. Вывод формулы приведения

Теперь рассмотрим интеграл
In  = ∫ dx(x 2  + bx + c ) n .

Приводим квадратный трехчлен к сумме квадратов:
x 2  + bx + c = x 2  + 2x b2 + ( b2  ) 2  + c – ( b2  ) 2  = ( x + b2  ) 2  + a 2 .
Здесь   a = √ c – ( b2  ) 2  .
Делаем подстановку.
x + b2 = at,  dx = a dt,  t = 2x + b2a ,  x 2  + bx + c = a 2 (t 2  + 1 ) .
In  = ∫ dx(x 2  + bx + c ) n = 1a 2n – 1 ∫ dt(t 2  + 1 ) n = 1a 2n – 1 Sn .

Выполняем преобразования и интегрируем по частям.
Sn  = ∫ dt(t 2  + 1 ) n = ∫ t 2  + 1 – t 2(t 2  + 1 ) n  dt = ∫ t 2  + 1(t 2  + 1 ) n  dt – ∫ (t 2  + 1 ) – n  t 2  dt =
 ∫ dt(t 2  + 1 ) n – 1  dt – 12 ∫ t (t 2  + 1 ) – n  d(t 2  + 1 ) =
 Sn – 1  – 12 ∫ t d( 1– n + 1 (t 2  + 1 ) – n + 1  ) =
 Sn – 1  – 12 t(t 2  + 1 ) – n + 1– n + 1 + 12 ∫ (t 2  + 1 ) – n + 1– n + 1  dt =
 Sn – 1  + 12(n – 1 ) t(t 2  + 1 ) n – 1 – 12(n – 1 ) Sn – 1 .

Умножим на 2(n – 1) :
2(n – 1 )Sn  = 2(n – 1 )Sn – 1  – Sn – 1  + t(t 2  + 1 ) n – 1 = (2n – 3 )Sn – 1  + t(t 2  + 1 ) n – 1 .
Возвращаемся к x и In .
Sn  = a 2n – 1 In ,  2at = 2x + b,  a 2 (t 2  + 1 ) = x 2  + bx + c,  4a 2  = 4c – b 2 ,
2(n – 1 )Sn  = (2n – 3 )Sn – 1  + a 2n – 3 2at2(a 2 (t 2  + 1 )) n – 1 ;
2(n – 1 )a 2n – 1 In  = (2n – 3 )a 2n – 3 In – 1  + a 2n – 3 2x + b2(x 2  + bx + c ) n – 1 ;
(n – 1 )4a 2 In  = (2n – 3 )2In – 1  + 2x + b(x 2  + bx + c ) n – 1 .

Итак, для In мы получили формулу приведения:
(n – 1 )(4c – b 2 )In  = 2(2n – 3 )In – 1  + 2x + b(x 2  + bx + c ) n – 1 .
Последовательно применяя эту формулу, мы сведем интеграл In к I1 .

Пример

Все примеры

Вычислить интеграл
I = ∫ x + 1(x 2  + x + 1 ) 3  dx

Решение

1. Выделим в числителе производную знаменателя.
(x 2  + x + 1 ) ′ = 2x + 1 ;
x + 1 = 12 (2x + 1 ) + 12 = 12 (x 2  + x + 1 ) ′ + 12 ;
I = ∫ x + 1(x 2  + x + 1 ) 3  dx = 12 ∫ (x 2  + x + 1 ) ′(x 2  + x + 1 ) 3  dx + 12 I3  =
 12 ∫ (x 2  + x + 1 ) – 3  d(x 2  + x + 1 ) + 12 I3  = 12 ⋅ 1– 3 + 1 (x 2  + x + 1 ) – 3 + 1  + 12 I3  =
 – 14(x 2  + x + 1 ) 2 + 12 I3 .
Здесь
I3  = ∫ dx(x 2  + x + 1 ) 3 .

2. Вычисляем интеграл от самой простой дроби.
I1  = ∫ dxx 2  + x + 1 = ∫ dxx 2  + 2x 12 + 14 + 1 – 14 = ∫ d( x + 12  )( x + 12  ) 2  + ( √ 3 2  ) 2 =
 2√ 3  arctg x + 12√ 3 2 = 2√ 3  arctg 2x + 1√ 3  .

3. Применяем формулу приведения:
(n – 1 )(4c – b 2 )In  = 2(2n – 3 )In – 1  + 2x + b(x 2  + bx + c ) n – 1
для интеграла   In  = ∫ dx(x 2  + bx + c ) n = ∫ dx(x 2  + x + 1 ) n .
В нашем случае b = 1 , c = 1 , 4c – b 2 = 3 . Выписываем эту формулу для n = 2 и n = 3 :
3I2  = 2I1  + 2x + 1x 2  + x + 1 ;
6I3  = 6I2  + 2x + 1(x 2  + x + 1 ) 2 .
Отсюда
I3  = ∫ dx(x 2  + x + 1 ) 3 = I2  + 2x + 16(x 2  + x + 1 ) 2 =
 23 I1  + 2x + 13(x 2  + x + 1 ) + 2x + 16(x 2  + x + 1 ) 2 .

Окончательно имеем:
I = – 14(x 2  + x + 1 ) 2 + 12 I3  =
 – 14(x 2  + x + 1 ) 2 + 13 I1  + 2x + 16(x 2  + x + 1 ) + 2x + 112(x 2  + x + 1 ) 2 .
Находим коэффициент при   1(x 2  + x + 1 ) 2 .
– 14 + 2x + 112 = – 3 + 2x + 112 = 2x – 212 = x – 16 .

Ответ

I = 23 √ 3  arctg 2x + 1√ 3  + 2x + 16(x 2  + x + 1 ) + x – 16(x 2  + x + 1 ) 2 + C .

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню