Основы математики и ее приложения в экономическом образовании (стр. 12 )

Заметим, что задача отыскания по заданной функции f(x) еe первообразной неоднозначна; если F(x) — первообразная, то и функции F(x) + С, где С - произвольное постоянное число, также первообразная для функции f(x), так как [F(x) + С]' = f(x).

Неопределенный интеграл

Определение 2. Совокупность всех первообразных функций для функции f(x) на промежутке Х называется неопределен­ным интегралом от функции f(x) на этом промежутке и обо­значается символом

В этом обозначении называется знаком интеграла (это стилизованная латинская буква S, означающая суммирование), f(x) — подынтегральной функцией, f(x)dx — подынтеграль­ным выражением, а переменная х — переменной интегриро­вания.

Операция нахождения первообразной по ее производной или неопределенного интеграла по заданной подынтегральной функции называется интегрированием этой функции. Интег­рирование является операцией, обратной дифференцированию. Для проверки правильности выполнения интегрирования нуж­но продифференцировать результат и получить при этом подынтегральную функцию.

Рассмотрим примеры.

Пример 3. = x2 + С; проверка: (x2 + С)' = 2х.

Пример 4. = - cos х + С; проверка: (-cos х + С)' = sin x.

Пример 5. = е3x + С; проверка: (+ C)' = е3x.

6.2. Основные свойства неопределенного интеграла

Прежде всего укажем свойства, которые непосредственно вытекают из определения неопределенного интеграла.

Следующие два свойства называются линейными свойст­вами неопределенного интеграла.

Заметим, что последнее свойство справедливо для любого конечного числа слагаемых в подынтегральной функции.

6.3. Таблица основных неопределенных интегралов

Ранее мы получили таблицу основных производных эле­ментарных функций. Приводимая ниже таблица основных не­определенных интегралов представляет собой вычислитель­ный аппарат интегрального исчисления. Часть формул таб­лицы непосредственно следует из определения интегрирования как операции, обратной дифференцированию. Справедливость всех формул легко проверить дифференцированием.

Интегралы этой таблицы принято называть табличными.

Как было установлено в п. 4.4, операция дифференцирова­ния не выводит нас из класса элементарных функций. С опе­рацией интегрирования дело обстоит иначе: интегралы от не­которых элементарных функций уже не являются элементар­ными функциями. Укажем некоторые из них.

Каждый из этих интегралов есть функция, которая не яв­ляется элементарной, хотя подынтегральные функции в этих интегралах являются элементарными. Они играют большую роль в прикладных науках; так, интеграл 1 является одним из основных в теории вероятностей и статистике.

Как правило, интегралы, с которыми приходится иметь де­ло в различных приложениях, не выражаются элементарными функциями (или, как принято говорить, являются "неберущи­мися"). Тем не менее существуют достаточно хорошо разрабо­танный аппарат приближенных формул с использованием эле­ментарных функций и методы приближенных расчетов, поз­воляющие с любой степенью точности оценивать и вычислять "неберущиеся" интегралы.

6.4. Основные методы интегрирования

Непосредственное интегрирование

Вычисление интегралов с использованием основных свойств неопределенных интегралов и таблицы простейших интегралов называется непосредственным интегрированием. Покажем это на примерах.

Метод подстановки

Замена переменной интегрирования является одним из са­мых эффективных приемов сведения неопределенного интегра­ла к табличному. Такой прием называется методом подста­новки, или методом замены переменной. Он основан на следу­ющей теореме.

ТЕОРЕМА 1. Пусть функция х = φ(t) определена и диффе­ренцируема на некотором промежутке Т, а Х — множество значений этой функции, на котором определена функция f(x). Тогда если функция f(x) имеет первообразную на множестве Х, то на множестве Т справедлива формула

Выражение (6.1) называется формулой замены переменной в неопределенном интеграле. Рассмотрим применение этого приема на примерах вычисления интегралов.

Решение. Здесь разложение по биному Ньютона представ­ляется весьма сложным. Введем новую переменную t = х — 1. Тогда х = t + 1, dx = dt, и исходный интеграл преобразуется следующим образом:

Сделав обратную замену переменной, получаем окончатель­ный ответ:

Решение. Положим t = 2 - х, тогда х = 2 - t, dx = -dt. Отсюда по формуле (6.1) получаем

Решение. Преобразуем этот интеграл, переписав его в виде

Из вида подынтегральной функции следует, что целесообразно ввести новую переменную t = sin x. Тогда 1 — sin2 х = 1 — t2, dt = cos x dx; подстановка в интеграл дает

Здесь использован табличный интеграл 10.

Решение. Введем новую переменную t = x4 и выполним все необходимые операции: x8 + 1 = t2 + 1, dt = 4xзdx, откуда имеем

Решение. Положим t = х2 + 1, тогда dt = 2х dx или xdx = , и данный интеграл принимает вид табличного интеграла:

Интегрирование по частям

ТЕОРЕМА 2. Пусть функции и(х) и v(x) определены и диффе­ренцируемы на промежутке Х и функция и'(x)v(x) имеет пер­вообразную на этом промежутке. Тогда функция u(x)v'(x) также имеет первообразную на промежутке X, причем спра­ведлива формула

С учетом вида дифференциалов функций v'(x)dx = dv и u'(x)dx = du равенство (6.2) часто используют в форме

Равенство (6.2) (или (6.3)) называется формулой интегри­рования по частям.

В интегрировании по частям самым сложным является выбop в подынтегральном выражении сомножителя v'(x) dx = dv. Под знак дифференциала d можно в принципе внести все что угодно; однако выбор должен быть таким, чтобы интеграл в правой части (6.2) был проще исходного, а не сложнее. В этом смысле метод интегрирования по частям позволяет свести ин­теграл dv к интегралу du, вычислить который существенно проще. Рассмотрим примеры нахождения интегралов ме­тодом интегрирования по частям.

Пример 8. dx.

Решение. Здесь берем и(х) = ln x, dv = dx, т. е. v = х. По формуле (6.2) получаем

В общем случае интегралы вида ln х dx, где п ≠ 1 — целое число, берутся только интегрированием по частям: и = ln x, xndx = dv, т. е. v = хn+1 /(п + 1). Аналогичным образом берутся и интегралы вида arctg x dx.

Пример 9. dx.

Решение. В этом случае и = х, eхdx = dv = d(ex), тогда по формуле (6.2) имеем

Интегралы вида dx, где п > 0 — целое число и k ≠ 0 — любое число, берутся n-кратным интегрированием по частям до исчезновения степени х в подынтегральной функции; при этом каждый раз под знак d вносится еkx, т. е. ekxdx = dv = d(еkx).

Ррешение. Интегралы вида cos kx dx и sin kx dx, где k — любое число и п > 0 — целое число, вычисляются так же, как и интеграл общего вида, приведенный в примере 1. Под знак d каждый раз вносится тригонометрическая функ­ция, и процедура интегрирования по частям повторяется n раз:

cos kx dx = dv = d (sin kx), затем sin kx dx = -d(cos kx) и т. д.

В данном случае мы имеем

Введем понятие рациональной функции от двух перемен­ных. Это функция, полученная из переменных и и v путем про­ведения над ними арифметических операций. Например, функ­ция

является рациональной от переменных u и v. В свою очередь переменные и и v также могут являться функциями. Например,

Рациональная функция от sin х и cos х

Рассмотрим интеграл вида

где R — рациональная функция. Этот интеграл рационализи­руется универсальной подстановкой

Действительно,

Подстановка формул (6.5) в интеграл (6.4) дает

где R1(t) — другая рациональная функция аргумента t. Рас­смотрим примеры вычисления интегралов, содержащих рацио­нальные функции от sin x и cos x.

Решение. Подставляя сюда формулы (6.5), после очевид­ных упрощений получаем

Пример 12. dx, т и п — натуральные числа.

Решение. Универсальная подстановка приведет здесь к громоздким выкладкам; гораздо удобнее применить метод за­мены переменной. В зависимости от четности m и п употреби­мы три следующих варианта.

1) m — четное, n — нечетное, подстановка t = sin x.

2) т — нечетное, n — четное; подстановка t = cos x.

3) m и n — оба нечетные; любая из двух подстановок 1 или 2.

4) m и п — оба четные; понизить степени тригонометри­ческих функций и в полученной сумме проверить каждое сла­гаемое по пп. 1-3.

Например, найти интеграл dx.

Согласно п. 2 выполним подстановку t = cos x; тогда dt = - sin x dx, sin4 x = (1 — t2)2; отсюда имеем

Рациональная функция от еx

Интеграл вида

рационализируется подстановкой

Пример 13. Найти интеграл . Применяя подстановку (6.6), получим

УПРАЖНЕНИЯ

Вычислить интегралы методом непосредственного интегриро­вания.

Вычислить интегралы методом подстановки.

Вычислить интегралы методом интегрирования по частям.

7.1. Условия существования определенного интеграла

Определение определенного интеграла

Пусть функция f(x) задана на отрезке [а, b]. Разобьем от­резок [а, b] на п произвольных частей точками: