Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Математика (Интегралы).rtf
Скачиваний:
29
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
4.87 Mб
Скачать

6.3. Интегралы типа

Поверхностный взгляд на подынтегральные функции данной группы вызывает очевидные ассоциации с формулами и. Вспомним, что:

Рассмотрим для примера решение интеграла . Для него подходит первая из этих формул. В результате такого преобразования решением этого интеграла будет

.

Аналогично решаются и остальные интегралы.

Пример 17.

Рецепт. Применив одну из ранее приведённых формул, получаем решение:

.

6.4. Интегралы типа

Такого рода интегралы сводятся к табличным интегралам простой подстановкой: для первого интеграла и- для второго.

Пример 18.

Рецепт. Используем замену и получаем решение=. После обратной подстановки получаем решение:.

Пример 19.

Рецепт. Ранее был рассмотрен интеграл , поэтому данный интеграл решаем рассмотренным ранее методом «по частям»:

Нетрудно заметить, что мы снова имеем рекурсию. Отсюда искомый интеграл

6.5. Интегралы типа .

К таким интегралам наиболее эффективно (а зачастую – единственным образом) применение описанной выше «универсальной подстановки»:

Вспомним, что ,, и (см. стр. 16). Тогда интеграл примет вид: == =.

В зависимости от конкретного сочетания значений коэффициентов получаем два основных исхода (с вариациями):

  1. см. Пример 4.

  1. . Этот случай, в свою очередь, распадается в зависимости от знака дискриминанта знаменателя =на два варианта:

2а: ─ см. Пример 3;

:─ см.Пример 9.

Рассмотрим конкретный пример:

Пример 20. .

Рецепт. Здесь ,,,=.

Согласно вышеприведённой формуле с использованием универсальной подстановки данный интеграл получает вид= =. Значение дискриминанта . Тогда корни трёхчлена знаменателя вычисляем по формуле=. В соответствии с методом «неопределённых коэффициентов»=

=. Отсюда имеем систему двух линейных уравнений для коэффициентови:. Тогдаи, а=. Обратная подстановкадаёт конечный ответ+С.

7. Тригонометрические подстановки

Часто в состав подынтегральных функций входят радикалы трёх видов: ,и. В этих случаях применяются соответствующие так называемые «тригонометрические» подстановки:

  1. Для -, соответственно.

Рассмотрим применение этой рекомендации на конкретном примере.

Пример 21.

Рецепт. Преобразуем подынтегральную функцию =и замещаем аргументпо одному из двух вариантов (см. выше), например,, тогда. В итоге===. Обратная постановка:,=идаёт конечный результат==+.

2. Для -. Дальше следует решение примера на эту тему.

Пример 22. .

Рецепт. Здесь , поэтому применим вариант замены из двух предложенных выше, например,.

==. Это уже знакомый интеграл (см. Пример 11), тогда+С. Нетрудно показать, что==. После обратной подстановки==.

Итак, имеем конечный результат: +С.

  1. Для -. Решим соответствующий пример.

Пример 23. .

Рецепт. Здесь . Согласно рекомендациям выберем, например, вариант. Тогда искомый интеграл==. Это интеграл, рассмотренный ранее, тогда промежуточное решение имеет вид:+С. Обратная подстановка даёт окончательное решение+С.

8. Интегралы с иррациональностью типа.

Рассмотрим один из вариантов таких интегралов на примере интеграла =., где k, m, … – любые целые числа,=1,2,…,.

Алгоритм решения интегралов такого типа:

  1. необходимо найти целое число М – наименьшее общее кратное (НОК) чисел ;

  1. дроби заменить соответствующими им дробямигде─ целые числа;

  1. тогда знаменатель подынтегральной функции принимает вид ;

  1. теперь следует очевидная замена: =, отсюда=и=.

Далее, =, а этот интеграл решается по образцу Примера 9 или Примера 10

Пример 24. =

Рецепт. При сопоставлении данного примера с вышеприведённым получаем ():

  1. , ,,,.

  1. НОК (,) = М=12;

  1. замена =,=,=;

  1. ,

Интеграл преобразуется: ===. Здесь полная аналогия Примера 9: ==12-=

+С.

Таблица 2

Дополнительная таблица интегралов, полученных

в результате промежуточных расчётов

Примечания

или

=

Образец решения расчётно-графической работы

Решение любого варианта РГР рассмотрим на примере «нулевого» варианта

Таблица 3

«Нулевой» вариант РГР

Номер задания

Интегралы

0

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

- решение данного интеграла сопроводить совмещённым графиком функций и

Примечания

1. Все 25 заданий приводятся в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

2. Выполнение каждой задачи данного демонстрационного варианта должен сопровождаться проверкой решения (см. образец).

1. =. Согласно свойствам 3 и 4 («константу желательно выносить за знак интеграла» и «интеграл суммы функций равен сумме интегралов от каждой функции») получаем:=, а это – табличные интегралы, поэтому решение:=.

ПРОВЕРКА =++=++. Полученополное совпадение с подынтегральной функцией решаемого интеграла, значит, решение - верное.

Ответ =.

2. ===. Для решения обоих интегралов используем приём «замены переменных»:=для интегралаи=- для интеграла. Тогда==. Получаем=(табличный интеграл)=. С помощью обратной подстановки получаем==.

Аналогичные преобразования для интеграла :==приводят к результату===. Таким образом, общее решение=+С.

ПРОВЕРКА (+С)==─ очевидное совпадение.

Ответ: =++С.

3. =. Если присмотреться к числителю дроби, то без труда можно увидеть элементы производной выражения в знаменателе. Поэтому логично было бы использовать приём «замена функции»:=. Тогда дифференциал==и интеграл принимает вид, т.е. снова табличный интеграл=. После обратной замены получаем=.

ПРОВЕРКА: ===

==- снова имеем полное совпадение выражения производной результата и подынтегральной функции решённого интеграла.

Ответ =+С.

4. =. Подынтегральная функция данной задачи при сравнении с той же функцией Примера 7 наводит на мысль использовать метод «по частям»: =.

ПРОВЕРКА ==

==─ интеграл взят верно.

Ответ =.

5. =. Сравнение этого интеграла с интегралом Примера 8 снова вызывает ассоциации с тем же методом «по частям»: ==, т.е.=. Тогда вводим

=. Снова применим метод «по частям», но уже к вторичному интегралу:. Продолжим интегрирование:== =. Но последний интеграл совпадает с исходным интегралом, отсюда получаем следующее равенство=. Тогда 5=

, =а искомый интеграл ─=+С.

Согласно тексту задания в данном пункте необходимо построить вместе графики подынтегральной и первообразной функции и, чтобы визуально убедиться в выполнении основного свойства неопределённого интеграла:. Выбор интервала значений аргументав общем случае – любой, хотя определённый интерес, например, может представлять анализ поведения этих функций вблизи точек экстремума первообразной функции, т.е. вблизи корней уравнения=0. Из текста решения данного интеграла следует, что подынтегральная функция, а первообразная функция (решение интеграла)=+С. Решаем уравнение:=0. Нетрудно убедиться, что это уравнение имеет бесконечное множество решений:. Призначения обеих функций быстро уменьшаются из-за множителя, а принаоборот устремляются к, соответственно. Поэтому имеет смысл выбрать, например, интервал. Найдём корни, принадлежащие этому интервалу:. Поскольку─ целое число, то эта величина в данном интервале может принять только четыре разных значения: 0,1,2 и 3, что соответствует четырём корням:. Построить совмещённый график Вы можете двумя способами:вручную или средствами Excel. Но в любом случае необходимо иметь таблицу, содержащую исходные данные и поэтому состоящую из трёх колонок. Первая ─ набор значений аргумента , две остальных ─ значения подынтегральной функциии первообразной функциидля соответствующих значений. Алгоритм создания этой таблицы приведён в Приложении 2. Там же показано, как можно построить необходимый график на базе этой таблицы средствами Excel. В последнем случае построенный в Excel график можно распечатать на принтере и вклеить в отчёт (рис.1).

Рис.1. Графики подынтегральной и первообразнойфункций, соответственно, построенных средствами Excel.

Эти графики построены с использованием табл.4.

Таблица 4

Значения подынтегральной и первообразной функций.

0

-7,00

-0,65

0,16

-1,15

-1,30

0,31

1,61

-1,20

0,47

0,86

-0,98

0,63

-0,18

-0,94

0,79

-0,30

-0,98

0,94

-0,05

-1,01

1,10

0,07

-1,01

1,26

0,04

-1,00

1,41

-0,01

-1,00

1,57

-0,01

-1,00

Табл.4.Исходные данные: , подынтегральная функцияи первообразная функция.

А теперь тот же рисунок, но выполнений от руки на базе той же таблицы (рис.2).

Рис.2. Графики подынтегральной и первообразнойфункций, соответственно, построенные вручную.

Хорошо видно, что на обоих рисунках нулям подынтегральной функции в точности соответствуют точки экстремумовпервообразной функции , т.е. имеет место наглядное подтверждение свойства.

Естественно, что вы должны оформить любой из этих рисунков на ваш выбор.

ПРОВЕРКА: =

===ч.т.д.

Ответ: =.+С.

6. =. Согласно рекомендациям на с.13─14 проводим замену функциина функцию==. Тогда искомый интеграл получит вид=

==. Поэтому в соответствии со свойством 4 с.5 («интеграл суммы функций» равен «сумме интегралов») с использованием табличного интегралаполучаем=+=(+-). После обратной подстановкиполучаем:=(+) + С. Кстати сказать, с аналогичным интегралом можно познакомиться в Примере 14.

ПРОВЕРКА ((+)+С)=+(+

))=(+

+)=(1─). Используя основное тригонометрическое тождество, переписываем полученное выражение:(1─3+3). Дальнейшие преобразования в скобках дают конечный результат:, подтверждающий правильность решённого интеграла.

Ответ: =(+)+С.

7. =. Воспользовавшись известными тригонометрическими формуламии, преобразуем подынтегральную функцию и получаем:===

+С, где =, а=.

Сначала с помощью формулы решаем первый

интеграл ==, где

  1. ==;

  1. ==(снова замена аргумента)=;

  1. ==(удвоение аргумента)==++;

  1. ====(уже знакомым приёмом=)==

.

После обратной замены =.

Возвращаемся к первому интегралу: =++.

Второй интеграл решаем с помощью аналогичной замены: ===.==. После обратной замены=.

Собрав вместе результаты расчётов, получаем конечный результат:

=+С.

Авторы приносят извинения, но в виду того, что проверочные преобразования данной задачи оказались чрезвычайно громоздкими, мы не приводим подробно проверку! Желающие могут попробовать сделать это самостоятельно.

Ответ: =+С.

8. =. В этом интеграле подынтегральная функция (см. с. 16) последовательно преобразуется к форме, содержащей только степени функциии её дифференциал:. Воспользовавшись формулой=+и введя замену, получаем интеграл =.Этот интеграл легко решается:

=+С=+С.

После обратной подстановки получаем =+С.

N.B.! Этот алгоритм, естественно, не единственный: можно было бы сделать замену илии др.

ПРОВЕРКА

=

+

=

=

==

= ─ правильность решения подтверждена.

Ответ: +С.

9. . Как было предложено в Примере 18, вводим замену =. Тогда==, а интеграл==+++

+С. Обратная подстановка даёт окончательное решение

+С.

ПРОВЕРКА

==, что свидетельствует о правильности решения.

Ответ: =+С.

10. . Интеграл этого типабыл рассмотрен ранее (см. выше стр.17). Согласно приведённым там рекомендациям воспользуемся формулой: . Тогда =. Разбив этот интеграл на сумму двух «почти что табличных» интегралов и дважды воспользовавшись приёмом «замены аргумента» (см.Пример 1), получим решение+С.

ПРОВЕРКА

== ===-желаемый результат!

Ответ: +С.

11. Этот интеграл по рекомендациям страницы 18 и 19 сводится к интегралу, для которого =9, =-8 и =-7. Получаем интеграл . Так как дискриминант знаменателя=32, то для решения данного интеграла подходит метод «неопределённых коэффициентов» (см. стр. 11 и 12). Для этого вычислим корни трёхчлена знаменателя:=и=и перепишем наш интеграл в виде. После рутинных преобразований (см. Пример 20) получаем значения коэффициентов:=и=, а интеграл принимает свой промежуточный вид:+С. После обратной подстановки окончательное решение+С.

ПРОВЕРКА

=

=

=

==─ очевидное свидетельство правильности взятия этого интеграла.

Ответ: =+С.

12. I=. Если из-под радикала знаменателя вынести(см. стр. 19 и 20), то интеграл примет вид I=. Согласно рекомендациям на тех же страницах необходимо ввести замену=. После этого получаем интеграл I=. Вспомнив, что, получим I==и, согласно дополнительной таблице интегралов, I=. Если вспомнить, что, то I=+С.

ПРОВЕРКА: =

=

===- мы убедились, что решение было верным.

Ответ: =+С.

13. I=. Такой тип интеграла уже рассматривался на страницах 20 и 21. По рецепту, предложенному там, вводим новую переменную=(6 - наименьшее общее кратное 2 и 3 –показателей радикалов знаменателя)===. Тогда интеграл примет вид: I==. Выделяем целую часть и остаток: I=. А это уже табличные интегралы: I=+С. После обратной подстановки и соответствующих преобразований решение интеграла получит следующий вид I=+С.

ПРОВЕРКА:

Сначала приведём решение к виду, более удобному для дифференцирования: =++С. Тогда=+=+

===─ полное совпадение с подынтегральной функцией.

Ответ: =+С.

14. I=. При взгляде на подынтегральную функцию возникает естественное желание сделать замену аргументана какую-либо переменную, например,===. Исходный интеграл преобразуется в=. Об интеграле этого типа речь шла на с. 23. Согласно предлагаемому на этой странице алгоритму подынтегральная функция сначала расщепляется на произведение, затем преобразуется в, откуда со всей очевидностью напрашивается замена:===. Интеграл принимает вполне табличный вид===+С. После первой обратной замены=+С, а после второй и окончательной замены получаем=+С.

ПРОВЕРКА

=

+=

=+==. Прекрасный результат!!!

Ответ: =+С.

Библиографический список

  1. Натансон И.П. Краткий курс высшей математики./ И.П.Натансон– СПб.: Лань, 2001.

2. Данко П.Е. Высшая математика в упражнениях и задачах/. П.Е.Данко и др.– М.:ООО Издательский дом ОНИКС 21век: ООО «Издательство «Мир и образование», 2003. Ч.1.

3. Соболь Б.В Практикум по высшей математике./ Б.В. Соболь, Н.Т. Мишняков., В.М. Поршкеян./ Ростов н/Д: Феникс, 2004.

4. Справочное пособие по математике./ И.И. Ляшко., А.К.Боярчук., Я.Г.Гай. , Г.П. Головач. – М.: Едиториал УРСС, 2003. Т1.

5. Сборник заданий по высшей математике. Типовые расчёты. /Л.А. Кузнецов – СПб.: Лань, 2005

.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Варианты заданий РГР.

Интегралы, отмеченные слева значком , сопроводить совмещённым графиком функцийи.

Номер задания

Интегралы

1

1. 2.3.4.5.

6. 7.

8. 9.10.11.12.

13. 14.

2

1. 2.3.4.5.

6. 7.8.

9. 10.11.12.

13. 14.

3

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

4

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

5

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

6

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

7

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

8

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

9

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

10

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

11

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

12

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

13

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

14

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

15

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

16

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

17

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

18

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

19

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.

13. 14.

20

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

21

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

22

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

23

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

24

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

25

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

Табл. 5 . 25 вариантов заданий расчётно-графической работы