Марченко_Высшая математика

Решение.

Данный интеграл может быть рационализирован

с помощью замены x = 5sin t .

x

x = 5sin t, t = arcsin

Имеем: ∫

dx

=

dx = 5costdt

5

=

x2 25

− x2

25 − 25sin2 t = 5cost

25 − x2

=

= ∫

5cost

dt

1

∫

dt

1

ctg t + C =

=

= −

25sin2 t 5cost

25

sin2 t

25

1

x

1

cosarcsin

x

+ C = −1

1 −

x 2

25

= −

ctg arcsin

+ C = −

5

+ C =

25

5

25 sin arcsin

x

5

x

5

= −

1

25 − x2

+ C .

25

x

Рассмотрим некоторые типы интегралов, содержащие квадра-

тичные иррациональности:

I. ∫

dx

. Вынося за символ интеграла

1

(если a > 0)

ax

2

a

1

+bx + c

1

dx

или

(если a < 0), приведем интеграл к виду

∫

2

−a

dx

a

x

+ px + q

или

1

∫

.

−a

−x

2

+ px + q

Выделяя полные квадраты, получаем табличные интегралы:

1

∫

dx

или

1

∫

dx

.

2

a

p

2

4q − p2

−a

4q + p2

p

x +

+

4

4

−

x −

2

2

Первый интеграл выражается через логарифмы, а второй при

4q + p2 > 0 – через арксинус;

случай 4q + p2 ≤ 0 во втором инте-

грале не представляет интереса, поскольку не существует интервала, на котором подынтегральная функция определена.

II. ∫	Ax + B
	ax2 +bx + c dx. Этот интеграл можно разбить на два, вы-

делив в числителе производную подкоренного выражения; тогда

131

один интеграл берется непосредственно как интеграл от степенной функции, а второй является интегралом вида I.

Рассмотрим некоторые примеры:

x

t = x +1

(

)

3

3

1) ∫

3

dx =

= ∫ t4

dt = ln

x +1

+

−

dt = dx

(x +1)4

x +1

−

3

+

1

+ C ;

2(x +1)2

3(x +1)3

2) ∫

x −1

dx найден в примере на с. 129 с помощью стандарт-

x +1

ной подстановки. Рассмотрим другой способ (для определенности ограничимся случаем x >1; случай x < −1 рассматривается аналогично). Преобразуем подынтегральную функцию:

x −1

=

(x −1)2

=

x −1

=

x

−

1

.

x2 −1

x +1

x2 −

1

x2 −1

x2 −1

Тогда исходный интеграл примет вид

d (x2 −1)

∫

x −1

dx = ∫

x

dx − ∫

dx

=

1

∫

−ln

x +

x

2

−1

=

x +1

x

2

x

2

2

x

2

−1

−1

−1

= x2 −1 −ln x + x2 −1 + C.

Мы ознакомились с некоторыми стандартными приемами нахождения неопределенных интегралов. Интегрирование чаще всего может быть выполнено не единственным способом. Владение искусством интегрирования заключается не только в знании методов интегрирования, но и в большей степени в «видении» различных подходов к интегрированию той или иной функции, что обычно приходит с опытом, после рассмотрения многих примеров.

Понятие о «неберущихся» интегралах

Как вытекает из алгоритма интегрирования рациональной функции, интеграл от всякой рациональной функции является функцией элементарной. Элементарными функциями будут и интегралы, полученные методом рационализации. Существуют, однако, элементарные функции, интегралы от которых элементарными функциями не являются. Такие интегралы принято называть «неберущимися». В качестве примеров «неберущихся» интегралов можно привести следующие:

132

∫e−x2 dx ; ∫sin x2dx ;

∫sinx x dx = si x – интегральный синус;

∫cosx x dx = ci x – интегральный косинус.

3.2.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Дайте определение первообразной для функции f (x) на промежутке (a; b).

2.Приведите примеры двух различных первообразных для

функции f (x)= 1 −1x2 .

3. Найдите первообразную для функции f (x)= cos x , которая в точке x = π2 принимает значение, равное 10.

4. Сформулируйте определение неопределенного интеграла.

5. Всякая ли функция имеет первообразную? Рассмотрите

1

при x > 0,

пример: f (x)=

при x ≤ 0.

−2

6. Для каких x справедливы формулы:

а) ∫dx = ln x +C ;

б) ∫1 dx = ln

x

+C ;

x

x

3x

1

г) ∫3

x

в) ∫

dx = tgx +C ;

dx =

+C ?

cos2 x

ln 3

7.Перечислите основные свойства неопределенного интеграла.

8.Найдите:

а) ∫0 dx ;			б)	∫dx ;	в) (∫dx)′;
г) ∫(u′(x)+ v′(x))dx ;			д)	∫(u′(x)v(x)+ u (x)v′(x))dx ;
е) ∫	f ′(x)	dx ;	ж) ∫ f (x) f ′(x)dx .
	f (x)

9. Запишите таблицу основных неопределенных интегралов и

проверьте формулы дифференцированием.

133

10. Известно, что две первообразные для функции f (x) = еx

в точке x =1 отличаются на 2. На сколько отличаются эти же пер-

вообразные в точке x =100 ?

11. График какой первообразной для функции	f (x)=	1
		1+ x2

проходит через точку с координатами (1; 2π)?

12.Изложите метод интегрирования путем подведения функции (поднесение множителя) под знак дифференциала.

13.Запишите формулу замены переменной в неопределенном интеграле. При каких условиях эта формула справедлива?

14.Запишите формулу интегрирования по частям в неопределенном интеграле. При каких условиях эта формула справедлива?

15.Запишите основные типы интегралов, которые вычисля-

ются методом интегрирования по частям.

16.Какая рациональная дробь называется правильной?

17.Что значит «выделить целую часть неправильной дроби»?

18.На какие простейшие действительные множители можно

разложить многочлен с действительные корнями?

19.Как интегрировать простейшие дробно-рациональные

функции?

20.Опишите метод неопределенных коэффициентов при разложении дроби на сумму простейших дробей.

21.Сформулируйте алгоритм интегрирования рациональной функции.

22.Какие подстановки используются для нахождения инте-

грала ∫R(sin x; cos x)dx , если подынтегральная функция рацио-

нально зависит от sin x, cos x . Приведите примеры.

23. Сформулируйте правила нахождения интегралов:

а) ∫sin kx cos mx dx; б) ∫cos kxcos mx dx; в) ∫sin kxsin mx dx.

24. Какая подстановка рационализует интеграл от дробно-

линейной иррациональности:

а)	∫	R(x; n ax +b )dx; б)	∫	R x; n	ax +b	dx; в)	∫	R(x; k x; m x; ...)dx?
					cx +d
25. Как находятся интегралы вида ∫						Ax + B
									dx ?
						ax2 +bx + c

134

sin2 x

26. С помощью каких подстановок находятся интегралы

а) ∫R(x; a2 − x2

)dx; б) ∫R(x; a2 + x2

)dx; в) ∫R(x; x2 −a2 )dx?

3.3. ПРАКТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Вспомогательные сведения

am

−

1

= a

−n

.

1. am an = am+n .

2.

an = am

n .

3.

an

m

x +

b

2

− b

2

− 4ac

n

m

5.

ax2 + bx + c = a

.

n

4.

a

= a

.

2

4a

2a

Непосредственное интегрирование

Найдите неопределенные интегралы с помощью основных свойств и таблицы интегралов. Проверьте результат дифференци-

рованием:

1

4

6x4

−8x3 − 4x2 +3x − 5

3cos x − 2x2

2.

x

dx .

1.

+5 +

−

dx .

∫

x

1 + x2

∫

x

2

3. ∫	x + x3ex − x2		dx .
	x	3

5. ∫7 + 4sin2 x dx .

7. ∫2x exdx .

		x
						x			(	x	2	+	)
9. ∫			2	dx,			2
								= x2 +1							.
		1 + x2				x2 +1
11.	∫ctg2 xdx,					ctg2 x =				1			−1	.
										2		x
									sin
13.	∫tg3 x d (tgx).

4.	∫(		x −1)2	dx .
			x x
6.	∫		1			3
				+				dx .
			9 − x2			x2
							−9

8. ∫2 − 1 − x2 dx . 1 − x2

10. ∫x3x−−273 dx .

12. ∫u3du .

14. ∫ cost d (cost ).

135

cos 2x

cos2 t

15. ∫1−sin t dt .

∫

3 2x

− 2

3x

17.

2x

dx .

2

19.

∫

(1 + x)

dx .

2

)

x 1 + x

(

21.

∫

dx

.

cos2 xsin2 x

23.

∫tg

t

dt .

3

25.

∫(

cos x + sin x)2 dx .

27.

∫(

x +1)x3dx .

29.

∫

3

x +1

dx .

x5

31.

∫

3xex

− 2

dx .

x

33. ∫32 −dx2x2 .

35.∫ 1(+ 2x2 )dx .

x2 x2 +1

37. ∫cos2 xsin2 x dx .

39.	∫	6 + x2 − 6 − x2	dx .
		36 − x4
136

16.

∫

cos 2t

dt,

cost − sin t

cos 2x = cos2 x −sin2 x

.

18.

∫

2 + x2 +

2 − x2

dx .

4 − x

4

x

cos

2 α

=

1 + cosα

20.

∫cos

2

dx,

2

2

.

2

sin2

α

=

1 −cosα

2

2

22.

∫12sin2 3tdt .

24.

∫

x

+1

dx .

2

+ 2x

x

26.

∫

dx

.

9x2

+ 6x +10

∫

1

2

28.

− 2x

+

5 dx .

3

3

x

30.

∫

6 + 2cos3 x

dx .

cos2 x

32.

∫

dx

.

27 + 3x2

34.

∫

2

8

−

dx .

4 − x

2

9 + x

2

36. ∫sin2

x

dx .

3

38. ∫(1 +3 x2x )dx .

40. ∫			dx	.
	x	2	+ 2x +5

Найдите f (x):

41. ∫

f (x)dx = 2arcctg

x

+C .

42. ∫ f (x)dx = ln

x + x2 +5

+C .

2

Найдите интегралы, содержащие квадратный трехчлен:

43.

∫

dx

.

44.

∫

5dx

.

x

2

+ 2x +3

2x

2

+6x +1

45.

∫

x − 2

dx .

46.

∫

3 − 4x

dx .

x2

+ 7x +12

2x2

− 3x + 2

47.

∫

dx

.

48.

∫

dx

.

x

2

+ 2x +

2

12x −9x

2

− 2

49.

∫

3x −1

dx .

50.

∫

dx

.

x2 + 2x + 2

3 − 2x − x2

Замена переменной в неопределенном интеграле

Найдите неопределенные интегралы внесением (подведением) множителя под знак дифференциала (выделяя дифференциал новой переменной):

1.	∫(4x +3)10 dx .
4.	∫7 (3 −1,5x)5 dx .
7.	∫		7xdx			.
			(8 −3x2 )	5
	6

10. ∫ 3 lnx x dx .

2. ∫(3 −32x)5 dx . 5. ∫x 1 − x2 dx .

8. ∫sin3 x cos xdx .

11. ∫arctg4 xdx .

1 + x2

13. ∫				dx	. 14. ∫	dx	.
	sin	2	x	1 − ctgx		x(ln x −5)

	∫			exdx
16.						.
				2ex +1
19.	∫			3 x+1	dx .
				x +1
22.	∫			dx
							.
			cos2 (3 + 5x)

	17.	∫e−		x	+5dx .
				2
	20.	∫cos(2 −3x)dx .
	23.	∫					π
			sin					−	2x dx .
						12

3.	∫			3 −	x		dx .
					2
6.	∫			xdx					.
		4		3 + 4x				2
9. ∫				sin x				dx .
		5		2		x
				cos
12.		∫	1									dx
				arcsin2 x								1− x2
15.		∫					dx									.
								(				+ x	2	)
				2arctgx 1
18.		∫						dx
				5arccos x								1 − x				2
21.		∫		xdx								.
				sin2 (		7x2 )
24.		∫ex sin exdx .

.

.

137

25.

∫ 3 −2sin x cos xdx.

26.

∫

dx

.

27.

∫

e3xdx

.

2x −3

3 −e3x

∫

dx

28.

∫tgxdx .

29.

∫ctg3xdx .

30.

.

x(ln2 x + 25)

31.

∫ecos x sin xdx .

32.

∫sinecos xx dx .

33.

∫e−x2 xdx .

34.

∫

dx

.

35.

∫

dx

.

36.

∫

dx

.

4 +5x2

3x2 −5

10 −3x2

∫

dx

∫

sin x

∫

dx

37.

.

38.

dx .

39.

.

3x2 −1

7 + cos2 x

x ln2 x −9

5x −3

6x −5

xdx

40.

∫x2 + 2 dx .

41.

∫

dx .

42.

∫

.

3x2 −5x + 4

2x −1

43.

∫

2x −3

∫

5x +3

dx .

44.

x +1 dx .

4 +3x − x2

Найдите интегралы, применяя метод подстановки:

45.

dx

dx

∫

.

46. ∫

,

x + 3 = t

.

(2 + x) x

2 + x + 3

47.

∫

x −6

dx .

1−3x

49.

∫

x +1 +1

dx .

x +1 −1

∫

dx

51.

,

x = t4 , t > 0

.

4

x

x +

53.

∫

2x

dx .

(5 − 2x)3

55.

∫

dx

,

.

x = 2 tg t

(4 + x2 )

3

57. ∫

dx

e

x

= t

,

.

ex −1

	∫			dx
48.						,		x = t3						.
			3
				x +1
	∫			x
50.						dx,						x = t6 , t ≥ 0					.
			3
				x +1
	∫			dx
52.							,					ex +1 = t				.
				x	1
				e +
54.	∫						dx								.
				1+ 2x +							3
												1+ 2x
				dx															.
56.	∫										,		x = sin t или x =					1
				2					2
			x	1 − x														t

58. ∫x 3 a + xdx .

	59. ∫	e2 x
			dx,	ex +1 = t	.
		x
		e +1

138

Интегрирование по частям в неопределенном интеграле

Методом интегрирования по частям найдите интегралы:

1.	∫(5x −3)sin 2xdx .	2.	∫(x +1)ln xdx .
3.	∫xe−3 xdx .	4.	∫x3x dx .
5.	∫arctg2x dx .	6.	∫x2 cos3x dx .
	∫x arcctgx dx .		∫arcsin				x
7.		8.						dx .
							3
9.	∫ln2 xdx .	10.		∫	ln x	dx .
11. ∫(x2 −5x −3)sin (x +1)dx .					x
		12.		∫ln (1 + x2 )dx .

Интегрирование рациональных функций

Укажите, какие из указанных рациональных дробей являются правильными. Выделите целую часть в неправильных дробях:

	1.	2		.		2.	2x	.		3.	7x2 +1.
		x +	5				x +5				x2 −1
	4.	3x2	+1		.	5.	x2		.	6.	x5	− 4x3		.
		x3	+1				x +3				x2	− x +1

Найдите неопределенные интегралы от простейших рациональных функций (дробей):

7. ∫		dx	.		8. ∫		dx	.
	(2x −1)2					3x +5
10. ∫		3 − 4x			11. ∫		x − 2
				dx .					dx .
		2x2 −3x − 2					x2 −7x +12

9. ∫		5		dx .
	2x2 + 6x + 5
12. ∫		8 −3x
			dx .
		2x2 + x −1

Разложите дробь на простейшие, не находя коэффициентов разложения:

13.3x2 + 2x −5 .

x(x −1)3

x+1

15.(x −1)2 (x2 + x +1).

17. (x2 −5x + 4)(7 x2 −5x + 7).

x + 2

14. (x2 −1)(x2 + 2).

x3 + x

16. x4 −81 .

x − 2

18. x2 (x2 + 4)2 .

139

19.												2x + 3											.								20.										x3 + x2								.
			(x2 + 4x + 3)(x2 − x + 3)																																	(x4 −16)(x3 +8)
21.								x2 +3x +1										.
			(	4x3 + 4x2 + 7x)2
			Найдите интегралы от рациональных функций:
			∫			x2		+3x +5																		∫							xdx												24. ∫					x5 + x4 −8
22.																dx .				23.																						.																		dx .
								x + 2																			(x + 2)(2x +1)																								x3 − 4x
25.								x2 +					1				dx .			26.							x			+ 2 2						dx			.						27.					x3 + 2								dx.
		∫x					3	−5x				2	+ 6x													∫																						∫x			3	− x				2
																											x −1 x
28.			∫					dx							.					29.						∫								3x +1										dx .
						x(x2 + 4)																					(x2 + 6x + 9)(x −5)
30.		∫						7x −15									dx .			31.						∫			x5				dx .												32. ∫					x2dx					.
					x3 − 2x2 + 5x																						x4 −1																							1 − x4
							x3																										x							2
33.									dx				.							34.																					dx .
			∫x				3																			∫				2	−3x					+ 2
								−1																			x
																											1 + x					7			− 2x					7
	∫					1 − x				7							1 − x			7					= (									)									1 + x			7												x	7
35.														dx,																											=									−		2												.
				(							7		)				(		+ x		7	)								(			+ x				7	)					(		+ x		7	)					x	(				+ x			7	)
						x	1 + x										x 1												x		1												x 1													1

Метод рационализации: интегрирование функций, рационально зависящих от тригонометрических

Найдите интегралы с помощью универсальной тригонометри-

ческой подстановки:

1.

∫

dx

.

2.

∫

dx

.

3.

∫

dx

.

2

+ cos x

4 −3sin x

1

+sin x + cos x

4.

∫

2 + cos x dx .

5.

∫

dx

. 6.

∫

dx

.

2sin x −cos x +5

3 −sin x

sin x

Найдите интегралы с помощью подходящей подстановки:

∫

sin x

∫

cos3 x

∫sin

2

3

7.

dx .

8.

dx .

9.

xcos

x dx .

1

2

3 −sin2 x

3

+ cos x

140