Зимина О.В., Кириллов А.И., Сальникова Т.А. Высшая математика (Решебник)
.pdf160 |
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
4. Интегрируя элементарные дроби, получим
|
X -\~ 1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
/ |
- т — г dx = - 1п(ж^ + 1) + arctga; 4- Сз- |
|
|
||||||
|
|
|
|||||||
|
х"' + 1 |
|
2 |
, |
|
|
|
|
|
Ответ. |
/* 2а:3 + Зх2 + Зх + 2 |
|
|
|
|
||||
/ -r-z |
7тт^—7Т dx = |
|
|
|
|
||||
|
|
= - 1п(а;^ + ж + 1)(ж^ + 1) + --7= arctg —7=^ + |
arctg х + С. |
||||||
|
|
2 |
' |
|
|
\/3 |
\/3 |
|
|
Условия ЗАДАЧ. Найти неопределенные |
интегралы. |
|
|||||||
|
|
|
1 |
, |
^ |
Г |
2x2-fx + 3 |
1) dx. |
|
^- |
У (х + 1)2(х2 + 1)^''- |
^- |
/ •(x + 2)(x2 + x-f |
||||||
3. |
/ |
о' |
г. dx. |
|
4. |
/ |
л'^'' |
dx |
|
|
/- |
7 x ^ - 1 |
|
|
/ |
х + 1 |
—г б?Х. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
''• |
У |
х4 + 4 х 2 - 5 |
''• |
У (Х2 + 1)(Х2 + 9) |
|
7 / _ i _ d x
^' У |
х^-х^'''^- |
|
/* Зх"^++ х2х^++ 5х5х |
++ 11 , |
|
/ |
^^^-^-^^^ |
^— dx. |
J |
Х^ + X |
|
8 |
[ |
^1±^ |
dx |
^- |
у |
(x-fl)(x2 + 2x + 2)''''- |
|
,^ |
/"/" |
х^ |
|
10. |
/ |
|
|
|
7 х 4 - 1 б•ах. |
|
Ответы. |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
( x + i ) ^ |
|
|
|
2. |
31п |х + 2| - |
1 |
|
|
1 |
2х -Ь1 |
|
;- 1п(х2 + X 4-1) |
+ -"7= arctg —7=^ + С. |
||||||
|
|
|
2 |
|
|
v 3 |
v 3 |
^ |
1 , |
(ж-2)2 |
V3 |
|
х + 1 |
^ |
|
3. |
;тт Ь |
J^ ^ |
^ , |
- -777 arctg —рг- + |
С. |
||
|
24 |
х2 4-2x4-4 |
12 |
^ |
^ 3 |
|
4. i I n | ( x - l ) ^ ( x 4 - l ) | - i a r c t g x 4 - a
|
7.6. Интегрирование тригонометрических выраэюений |
161 |
|||||
5. |
- In |
х-1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
ж + 1 ^ТБ^'^'^Т!^''- |
|
|
|
||
|
|
^2 + 1 1 |
|
1 |
X |
^ |
|
|
|
+ - arctga; - |
— axctg 3 + С'- |
|
|||
^- 1 6 ^ ^ 2 + 9 • 8 |
|
|
|
|
|
||
, |
1 |
1 , (ж - 1)2 |
1 |
|
2х + 1 |
^ |
|
8. |
ж - - |
ln[(a:2 + 2a: + 2)(x + l)^]4-3arctg(x-{-l)-f С. |
|
||||
9. |
Зх + In |ж| + 2 arctg ж + С |
|
|
|
|
||
10. X + |
- In х + 2 |
arctg ^ |
+ С'. |
|
|
|
7.6.Интегрирование выражений jR(sinx,cosx)
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти неопределенный интеграл
/ i?(sinx,cosx)(ix,
где R — рациональная функция двух переменных.
ПЛАН РЕШЕНИЯ.
1. С помощью подстановки
X
* = t g -
интегралы от функций jR(sina:, cos ж) приводятся к интегралам от ра циональных функций новой переменной t. Действительно, подставляя в подынтегральное выражение
smx |
2t |
|
1 _^2 |
dx = |
2 |
|
1 + ^2' |
COS ж = ^ |
. .^ , |
^ .^ dt, |
|||
|
|
1 + ^2' |
|
1 + ^2 |
||
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
/ 2t |
1 |
— ^2 \ |
2 |
|
i?(sina:, cosx) с^ж = i? ( |
^^ 1+12 ) YT72 ^^ = ^ i W ^^• |
|||||
Подстановка t = tg(x/2) называется |
универсальной. |
162 |
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
2. Применяем формулу замены переменной в неопределенном ин теграле
г |
( 2t 1 — t^\ |
2 |
/?(sinx,cosx)dx = y |
fl(^3T7^,3^^j |
3 - ^df . |
/
3. Вычисляем первообразную радиональной функции t и возвра щаемся к переменной ж, подставляя t = tg (х/2).
ЗАМЕЧАНИЕ. ЕСЛИ подынтегральная функция имеет специальный вид, то лучше применить подстановки, требующие меньше вычис лений:
а) если
i?(sin X, cos х) = jRi (sin ж, cos^ х) cos х,
то применяем подстановку t = sinx. Действительно, подынтеграль ное выражение приобретает вид
iii(sinx, cos^x)cosxdx = i?i(t, 1 —t^) dt;
б) если
-R(sin X, cos x) = i?2(sin^ x, cos x) sin x,
TO применяем подстановку t = cosx. Действительно, подынтеграль ное выражение приобретает вид
i?2(sin^ X, cosх) sinx dx = —i?2(l — ^^) 0 dt]
в) если
i?(sinx,cosx) = il3(tgx),
TO применяем подстановку t = tg x. Действительно, подынтегральное выражение приобретает вид
Rs{tgx)dx = |
R3{t)j^dt. |
ПРИМЕР 1. Найти неопределенный интеграл
|
sinx |
dx. |
|
/ |
2 -f sin X |
||
|
7.6. Интегрирование тригонометрических выраоюений |
163 |
РЕШЕНИЕ.
1. Сделаем подстановку t = tg {х/2). Подставляя в подынтегральное выраокение
2t , 2
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2t |
|
|
|
|
|
2 + sina; |
dx = |
^l^ |
т dt = |
v-T |
Г7-^ |
-г |
dt. |
|
„ , 2t |
1 + <2 |
(f2 + f + 1)(^2 + |
i) |
|
2. Применяем формулу замены переменной в неопределенном ин теграле
|
sinx |
_ Г |
2t |
|
|
/ |
J WTrrWTT) |
|
|
|
IT^^ |
|
||
3. Вычисляем первообразную рациональной функции t: |
||||
I |
2t |
|
4 |
2t Н-1 |
|
(t2 + t + l)(t2-f 1) |
dt = 2 arctg t |
-= arctg —j=—h С |
|
|
"* |
x/3 ^ |
v/3 |
Возвращаемся к переменной x, подставляя t = tg (ж/2):
|
sinx |
^ |
4 |
^ |
2tg(a;/2)H-l |
^ |
|
/ |
2 +sinx |
dx = x |
7= arctg |
^^ |
^^^ |
+ С |
|
|
\/3 |
|
|
\/3 |
|
||
/" |
sinx |
, |
4 |
|
2tg(x/2) + l |
^ |
|
Ответ. / |
2 + sinx |
dx = X |
7= arctg |
^^ |
V |
+ C. |
|
J |
|
уД |
|
|
V3 |
|
|
ПРИМЕР 2. Найти неопределенный интеграл |
|
||||||
|
|
|
3tg2x - |
1 |
|
|
|
|
|
/ |
tg^x + 5 • dx. |
|
|
РЕШЕНИЕ.
1. Так как подынтегральная функция имеет вид i?(tgx), сделаем подстановку tg х = t.
Подставляя в подынтегральное выражение
tgx = t, dx = dt—^,
164 |
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
|
получим |
|
|
|
3 t g V - J . |
_ 3t^ - 1 1 |
2. Применяем формулу замены переменной в неопределенном ин теграле
f |
3tg^a; - 1 |
_ fZt^-l |
1 |
У |
tg2a; + 5 |
У i2 + 5 |
1 + <2 |
4. Вычисляем первообразную рациональной функции t:
3 f 2 - l |
. |
4 |
t |
/ (^2 + 5)(1 + ^2) |
6?t = —arctgt H—parctg --^ + С |
||
^ |
ч/5 |
"^ч/б |
Возвращаемся к переменной х, подставляя t = tgx:
|
|
|
3 t g 2 x - l |
, |
|
|
4 |
|
|
(tgx\ |
|
^ |
|
|
|
|
/ |
tg^x + 5 |
dx = -x-^ |
-7=arctg |
- ^ |
|
+ С |
|
|||||
|
|
|
|
V5 |
|
|
V \/5 |
|
|
|||||
|
|
/*3tg2x - l |
, |
|
4 |
|
|
/ t g x \ |
|
^ |
|
|||
Ответ. |
/ |
—5 |
ax = -X H—;=arctg |
-—=r + 0. |
|
|||||||||
|
|
У |
tg^x + 5 |
|
|
у/Ъ |
|
|
\у/ъ) |
|
|
|||
Условия ЗАДАЧ. Найти |
неопределенные |
интегралы. |
|
|||||||||||
|
|
|
dx |
. |
|
2. |
С |
|
dx |
|
. |
|
||
|
/ |
2 sin X - |
~ |
|
/ |
|
cos 2x - |
|
|
|||||
|
cos X - 1 |
|
|
J |
sin 2x |
|
||||||||
3. |
f |
|
^^ |
. |
|
4. |
/ |
|
^^ • |
|
|
|
||
|
J |
COS X + 2 sin X -f 3 |
|
|
|
У 2 - |
sin X |
|
|
|||||
5. |
f |
|
dx |
|
. |
^ |
/" |
2 sin X -f 3 cos x |
dx, |
|||||
/ |
4 cos X - |
3 sin X - |
6. |
/ |
J |
—7y |
x cos x + 9 cos^ x |
|||||||
|
7 |
5 |
|
|
sin |
|
||||||||
^ |
Г |
|
dx |
|
|
|
r. |
f |
cos^ X Ч- cos^ X , |
|
||||
7. |
/ |
|
--7Г-. |
|
|
8. |
/ |
|
— - ; |
T-TT-dx. |
|
|||
|
У |
1 + sin^x |
|
|
|
У |
|
srn^ X + sin^ X |
|
|||||
^ |
f |
-: |
dx |
|
, |
|
,^ |
/" |
cosx |
, |
|
|
||
9. |
/ |
T- |
|
rdx. |
|
10. |
/ |
|
14-cosx |
dx, |
|
|||
|
J |
sinx(l-f |
cosx) |
|
|
J |
|
|
|
|
7.7. Интегрирование тригонометрических еыраж.ений |
165 |
Ответы.
1. |
- Ь 2 t g - - i | + a |
2\/2 |
In |
tgz + |
H - \ / 2 |
|
|
|
|
tga; + |
l - \ / 2 |
||
|
|
|
|
с |
X |
\ |
3. |
axctg (l + tg I ) + С"- |
|
|
2 t g - - l |
|
|
4. -j= arctg |
ч/З |
|
||||
|
|
|
|
|
|
+а
+а
5. 2 ( 3 + 9 t g | ) " 4 c . |
6. ln(tg2a; + 9) + a r c t g f ^ ^ + a |
7. |
—=arctg ( \/2tga;) + С 8. |
sin ж |
|||
„ |
V2 |
V |
|
/ |
|
1 , 1 |
— cos X |
+ |
|
+ a |
|
9. |
T In r - |
2(1 +cos ж) |
|||
|
4 |
l + cosa; |
|
: 6 arctg (sin ж) + С. sinx
10. x-tg- |
+ C. |
7.7.Интегрирование выражений sin^"^ X cos^" X
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти неопределенный интеграл
I'зт^'^хсов^'^хйх, где т^п — натуральные числа.
ПЛАН РЕШЕНИЯ.
Применяем формулы понижения степени
sin^a: = - ( 1 — cos2a:), |
cos^ ж = - ( 1 4-cos2a;), |
sinxcosrr = - sin2a: |
Zi |
£j |
Zt |
до тех пор, пока не придем к табличным интегралам или к интегра лам, которые известным образом сводятся к табличным.
ПРИМЕР. Найти неопределенный интеграл hsin^ Ъх cos"^ За; dx.
РЕШЕНИЕ. Применяя формулы понижения степени, имеем
/ sin^ Ъх cos"^ Ъх dx = 2~^ / (2 sin За; cos За;)'* dx =
166 |
|
|
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
|
|
|
|||||
|
= 2"^ I |
sin^ 6х dx = 2"^ |
[{1 - cos 12ж)2 dx = |
|
|
|
|||||
|
= 2-^ j |
dx- |
2"^ f cos 12x dx + 2"^ |
f cos^ 12x dx |
= |
|
|||||
|
|
|
2~^ |
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|
|
= 2~^x - |
— - |
sin 12x + 2""'^ |
/ (1 + cos 24x) dx |
= |
|
|
|||
|
|
= 2"^x - |
-— |
sin 12x + 2"'^x -f 2~'^ / |
cos 24x dx = |
|
|
||||
|
|
|
= 2~^x - |
2~^ |
|
2~^ |
sin 24x + С |
||||
|
|
|
—-- sin 12x + 2"'^x H- — - |
||||||||
|
|
|
|
|
12 |
|
|
24 |
|
|
|
Ответ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
/ |
sin^ 3x cos"* |
|
3 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
3xdx = 27^ - |
3T27 si^l2^ + 37210 sm24x + C. |
||||||||||
Условия ЗАДАЧ. Найти неопределенные |
интегралы. |
|
|
||||||||
1. |
/ |
cos^2xdx. |
|
2. |
/ |
cos^Sxdx. |
|
|
|
||
3. |
/ |
cos^ — dx. |
|
4. |
|
/ sin"^ 4x dx. |
|
|
|
||
5. |
/sin«2 . cix . |
|
6. /sin^8 . cos^8 . dx . |
|
|
||||||
7. |
/ |
cos'^xsin^xdx. |
8. |
/ |
cos^ x sin"* x dx. |
|
|
|
|||
9. |
/ |
sin^ X cos^ X dx. |
10. |
/ sin^ x cos"* x dx. |
|
|
|
||||
Ответы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
X |
sin4x |
^ |
^ |
5x |
|
sinGx |
sinl2x |
sin^ 6x |
^ |
1- 2 + - ^ + ^- |
2- 1б+-12- + ^ ^ - Ч 4 Г + ^- |
|
|
7.8. Интегрирование иррациональных выраоюений |
167 |
||||||||
^ |
Зх |
sin а: |
sin 2а: |
|
^ |
, |
Зх |
sinSx |
sinlGx |
^ |
|
'• Т + -2-+ Чб-+^- |
^- Т-ЧГ- + Ч2Г+^- |
||||||||||
^ |
5х |
sin 4а; |
3sin8x |
sin^ 4ж |
^ |
^ х |
sin 32а; |
^ |
|||
5. |
|
|
+ |
|
+ |
+ С. |
6. |
|
+ С. |
||
|
16 |
|
8 |
128 |
|
96 |
|
|
8 |
256 |
|
|
X |
sin 4а; |
sin^ 2х |
|
о |
^ |
^^^ ^^ |
^^^^ ^^ |
г^ |
||
^- 16 ~ ~ б Г + ~ 4 8 ~ + ^- |
^- 1 б ~ ~ 6 4 |
4 8 ~ + ^- |
|||||||||
|
Зж |
|
sin 4ж |
sin 8а; |
sin^ 2а; |
|
|
|
|
||
|
256 ~ |
256 |
"^ 2048 |
"^ 320 |
^ |
' |
|
|
|
||
|
Зх |
|
sin 4ж |
sin 8а; |
sin^ 2х |
|
|
|
|
||
' |
256 ~ |
256 |
"^ 2048 |
320 |
"^ |
' |
|
|
|
||
7.8. Интегрирование |
выражений |
|
|
||||||||
|
Щх |
р ах-\-Ь |
а ax-\-b |
|
|
|
|
|
|||
|
' У cx+d^ |
V cx+d^ |
|
|
|
|
|
||||
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти |
неопределенный |
интеграл |
|
||||||||
|
|
|
/я(х. ^аа; + 6 |
q ах -f Ь . |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
сх + d |
V са; 4- б^ |
|
|
|
где R — рациональная функция и p^q^... — нат,уральные числа.
ПЛАН РЕШЕНИЯ.
1. С помощью подстановки
ах -\-Ь |
Г , |
|
сх + d |
||
|
где п — общий знаменатель дробей 1/р, 1/д,..., приходим к интегра лам от рациональных функций.
2. Вычисляем первообразную рациональной функции t и возвра-
nlax |
+ b |
щаемся к переменной х, подставляя t = \ |
-. |
V сх 4- а
ПРИМЕР. НайтиIнеопределенный интеграл
(VST24^2+- 4ч/2^=^)(X - у/2Тх+ 2)2 dx.
168 |
Гл. 7. Неопределенный интеграл |
РЕШЕНИЕ.
1.Чтобы сделать подстановку, приводящую к интегралу от ра циональной функции, нужно преобразовать подынтегральную функ
цию так, чтобы она содержала корни любой степени, но из о д н о г о
и т о г о же выражения вида |
пт -4- h |
1^- |
Преобразуем подынтегральное выражение, выделяя Л/А Т ^ :
2-х
dx
2. Применяем подстановку t — \ 2-х :
Делая замену переменной в неопределенном интеграле, получаем
Jl^-i
3. Вычисляем первообразную рациональной функции t:
J 4t+l |
2[J \ 2) ^ 2 7 4i + lJ |
|
\^eЛ^t + ^^ы\u + l\ + c. |
Возвращаемся к переменной x, подставляя t = \l 2-х .
|
|
|
|
|
|
|
Z ~t~ X |
/ |
^ , |
^V2-^-V2 |
+ x |
—• ax = |
|
||
Ответ. / |
|
, |
|
|
|||
J |
{VxT2 |
+ Ay/2^^){x + 2)2 |
|
||||
(V^ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1 2 - x |
1 / 2 - Ж |
|
l , / . / 2 - ^ И ^ |
|
|
|
|
4 2 + x 4 V 2 + x |
+ —In |
4 W — — - Ы + a |
||
|
|
|
16 |
\ V 2 + x |
7.9. Интегрирование иррациональных выраоюений |
169 |
Условия ЗАДАЧ. Найти неопределенные интегралы.
I ^/^ У Vx + i dx
+ V ( x + 1 ) 3 '
J~^/хП/х'
г{x + Z)dx
I zV2x + 3'
X с/ж
ЦтГг
^/FHTS-I
+ 8)(1Ч- ^§/^Т8) б?Ж.
. / |
i^ |
у( 2 - а ; ) \ / Г ^
6- |
I |
X \ |
-dx. |
|
J |
\ |
x + l |
8 |
( |
|
^'^ |
|
У V(x - 7)Чх - ъу |
||
''•1-х |
+1)2 - ч/^+Т с?ж. |
Ответы.
1. (1 + \/2х ~ \f -f ln( v^2x - 1 - 1)2 + С. 2. 2 arctg \ / ^ n + С.
3. 6 ^ + 3 ^ 4 - 2 v ^ - 6 1 n ( l - f ^ ) + a
4. |
- |
2 arctg yj\-x |
+ C. |
5. |
|
V2a; + 3 |
+ c. |
|
|
X |
|
||||||
|
yJx'^ - 1 |
1 |
|
/ |
|
|
|
|
6. |
^ |
( x - 2 ) + ~ l n | x + \ / x 2 - l | + a |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
- 3 |
- 7 |
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
9. |
6 a r c t g ^ ^ ^ T 8 - 6 1 n ^ / ^ T 8 |
+ 3 1 n | l + ^3^ i T 8 | + a |
||||||
10. |
In |
( y / J T T - i ) -" •- - ^ |
arctg |
2л/х + 1 + 1+ a |
|
|||
|
|
X + 2 + v / x T I |
|
|
ч/З |
|
|
1/6
+ a
7.9. Интегрирование выражений
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Найти неопределенные интегралы вида:
а) |
/ i^(x, V а^ — х2) б?х; |
|
б) |
f Я(х, \/a2 |
4-x2)dx; |
в) |
/ Д(х, v х^ |
— а^) dx; |
2(?e jR — рациональная функция.