Интегральное исчисление

Часть2 Интегральное исчисление

Глава 1. Неопределенный интеграл

1.1 Первообразная и ее основное свойство. Неопределенный интеграл.

Свойства линейности. Интегрирование линейной подстановки. Таблица

неопределенных интегралов.

1.2Методы интегрирования. Подведение под дифференциал. Замена переменной.

Примеры: Выделение полного квадрата. Замены для интегрирования иррациональных выражений и рациональных функций от экспоненты.

1.3 Интегрирование по частям.

1.4 Интегрирование рациональных дробей.

1.5 Интегрирование тригонометрических выражений.

Примеры.

1.1 Первообразная и ее основное свойство. Неопределенный интеграл.

Свойства линейности. Интегрирование линейной подстановки. Таблица

неопределенных интегралов.

  Не менее важную роль, чем дифференциальное исчисление, в математическом анализе играет интегральное исчисление. Оно также широко используется в физику и других естественных науках, а также является аппаратом для многих математических дисциплин, таких, как дифференциальные  уравнения, интегральные  уравнения и др.

  Начнем с определения первообразной, нахождение которой обратно по отношению к взятию производной, что видно из следующего определения.

  Определение 1.

  Пусть  f(x) и F(x) определены на интервале  (a, b) и там выполнено равенство:

  Тогда функция  F(x)называется первообразной для  f(x) на этом 

  интервале

  Замечание. Видим, что нахождение первообразной обратно по отношению к нахождению производной.

  Примеры.

1)Первообразной для на  является  по определению функция ln(x).

2)Первообразной для y=0 является по определению y=const  для любой константы.

  Согласно примеру 2 первообразных может быть много и они отличаютс друг от друга на константу. О том, что это общая ситуация говорит следующая теорема.

Теорема 1.

  Если  F(x)-какая-либо первообразная для f(x) на (a, b) , то все ее первообразные на этом интервале имеют вид F(x)+C для некоторой константы С.

  Доказательство.

Имеем по условию

Тогда

Значит, F(x)+C –первообразная для f(x) для любой константы С.

Покажем, что любая ее первообразная имеет такой вид.

  Действительно, пусть G(x)-другая первообразная. Тогда на интервале

А если для некоторой функции производная есть тождественный 0, то она константа, так как по теореме Лагранжа ее любое приращение есть приращение  икса, умноженное на производную в некоторой  промежуточной точке, т. е.  равно 0 вместе с производной.  И G(x)-F(x)=const, то есть G(x)=F(x)+C, что и требовалось.

  На этом свойстве основано определение неопределенного интеграла.

  Определение 2.

Неопределенным интегралом для  f(x) на (a, b)называется множество всех первообразных этой функции на интервале.

  Неопределенный интеграл обозначается.

  По предыдущей теореме  , где С-любая константа.

  Пример.

  Замечание. Неопределенный интеграл, как и первообразная, существуют не для любой функции. Далее мы убедимся, что непрерывная на интервале функция всегда имеет первообразную.  Поэтому  во многих теоремах о неопределенных интегралах будет требоваться непрерывность функций.

  Свойства линейности неопределенных интегралов дает следующая теорема.

  Теорема 2(линейность неопределенных интегралов).

  Пусть a, b-числа. Тогда

Доказательство легко получается дифференцированием правой части с использованием линейности производных.

  Прежде, чем перейти к таблице неопределенных интегралов. докажем полезную  теорему.

  Теорема 2(о линейной подстановке)

Пусть Тогда

Доказательство.

  По определению

  Тогда что и требовалось.

  Пример.1) . Значит, по определению

Тогда по линейности  при Заменяя получим

при 

2) Тогда

3)

  Аналогично этим примерам, переписывая таблицу производных, получим таблицу неопределенных интегралов.

при .

при .

Последние два равенства проверяются непосредственным дифференцированием.

1.2Методы интегрирования. Подведение под дифференциал. Замена переменной.

Примеры: Выделение полного квадрата. Замены для интегрирования иррациональных выражений и рациональных функций от экспоненты.

  Для интегрирования более сложных выражений помимо приведенной ранее

Таблицы применяются определенные методы. К рассмотрению самых необходимых из них мы и переходим.

  Теорема 1 (метод подведения  под знак дифференциала)

Пусть известно, что и существует производная  для функции

g(x) на  (a, b).

Тогда

  .

Доказательство.

Проверяем непосредственным дифференцированием:

  что и требовалось.

  Замечание. Этот метод называют подведением под знак дифференциала,

Потому, что

Здесь мы «подвели функцию g(x) под

дифференциал» по известной формуле , а затем воспользовались условием теоремы для g(x)вместо x.

Примеры. Чаще всего этот метод применяется в случаях:

а)

б)

в)

г)

д)

  Здесь использована еще и линейность неопределенного интеграла, а именно:

xdx=d(x2)/2,  sinxdx=-d(cosx).

  Сделаем теперь  конкретные  примеры.

1.

2 3.

(Здесь, конечно, не может быть одновременно отрицательное x2 и h).

4.

  (

1.3 Замена переменной в неопределенном интеграле Интегрирование по частям.

  Заметим, что  при подведении под дифференциал мы фактически обосновали следующую замену переменной:

Докажем теперь более общую теорему о замене переменной

Теорема 2(замена переменной).

Пусть  имеем  обратимую замену переменной  x=x(y), y=y(x) 

  Тогда

  Доказательство.

Имеем по условию 

что и требовалось. Т. е.

Примеры.

Метод выделения полного квадрата.

=

Здесь обозначено . Видим, что в сумме второй интеграл табличный, первый мы брали в примере к теореме о подведении под дифференциал.

Совершенно аналогично с помощью выделения полного квадрата в знаменателе под корнем  преобразуем при

. Здесь опять первый интеграл мы вычисляли в примерах к подведению под дифференциал, второй –табличный.

Замечание. Аналогичным выделением полного квадрата преобразуем

. Поскольку первый интеграл

вычислен в примерах к подведению под дифференциал, надо научиться брать второй.

1.4 Интегрирование рациональных дробей.

Определение 1.(рациональной дроби)

  Выражение вида где Pn(x) и Qm(x) – многочлены степени n  и m,

соответствнно, называется рациональной дробью. Дробь называется правильной,

если n<m. При дробь называется неправильной.

  Замечание. Неправильную дробь с помощью деления в столбик можно представить в виде

  где многочлен  Tn-m(x) –частное, а Wk(x), k<m-остаток от

деления  Pn(x) на Qm(x). Т. е. дробь правильная. Значит, чтобы интегрировать рациональные дроби надо научиться интегрировать правильные дроби (многочлены мы интегрировать умеем).

  Для правильных дробей тоже есть способы их сведения к более простым.

  Определение 2.

Дроби вида и , многочлен в знаменателе не имеет корней,  называются простейшими дробями первого и второго рода, соответственно.

  Дроби первого рода просто интегрируются с помощью теоремы о линейной подстановке. Дроби 2 рода при выделении полного квадрата  мы свели к интегрированию дробей вида При n=1  это табличный интеграл.

  Получим формулу, связывающую значения этих интегралов для двух последовательных значений n и n+1.

  Теорема 3.

  Обозначим . Тогда  при  n>0

Доказательство.

.

Т. е.

Отсюда

Примеры.

Итак, простейшие дроби мы умеем интегрировать.

  Приведем теоремы из алгебры, связывающие  правильные дроби с простейшими.

  Теорема 4.

  Любой многочлен с действительными коэффициентами допускает разложение

на линейные (x-a)n  и неразложимые квадратичные множители (x2+px+q)k  в натуральных степенях и числовой множитель.

  Д-во не приводим.

  Теорема 5..

Пусть дробь

правильная. Многочлен Qm имеет

разложение  согласно теореме 4 на линейные (x-a)n  и неразложимые квадратичные множители (x2+px+q)k  в натуральных степенях и числовой множитель.

.

Тогда рациональная дробь имеет разложение на простейшие дроби, в котором каждому линейному множителю соответствует сумма

, а  каждому неразложимому квадратичному

множители (x2+px+q)k  соответствует сумма

.

  В силу этой теоремы возможность интегрировать простейшие дроби дает возможность интегрировать правильные рациональные дроби. Надо только

найти коэффициенты разложения, которые стоит искать методом неопределенных  коэффициентов.

  Пример.

.

Разложим сначала знаменатель.

Он равен .  Согласно теореме 5

Приравнивая равные числители при равных знаменателях, получим:

.

Здесь для поиска коэффициентов есть 2 возможности

Подставлять в тождество любые значения x. Выгодно подставить корни знаменателя, например  x=1. Получим

1=3B.  B=1/3. 

Больше корней знаменателя нет. Можно также подставить x=0. Тогда

0=A+B+D

Еще нужно 2 уравнения.

Можно приравнивать коэффициенты при одинаковых степенях икса

В левой и правой частях тождества. Легче это сделать при самой большой  (3) и самой маленькой степени (1), даже не раскрывая полностью все скобки.

При  x3:

0=A+C

1=B+C-2D

Теперь решаем получившуюся систему уравнений.

B=1/3, D=-A-1/3,C=-A, 2/3=-A+2A+2/3,

A=0, B=1/3, C=0, D=-1/3.

Получили

Заменим на это подинтегральное выражение.

 

К интегрированию рациональных дробей сводятся  интегрирование определенного вида иррациональных выражений и  рациональных выражений от показательной функции.

  Предварительно скажем, что многочленом от 2-х переменных называется

выражение, содержащее эти переменные и операции умножения, сложения и вычитания. Рациональной  функцией  R(x, y) от 2-x переменных называется отношение многочленов.

  Теорема 6 (Интегрирование иррациональных выражений)

Пусть R(x, y)- рациональная функция от 2-х переменных.

Тогда

заменой

сводится к интегрированию рациональной дроби от y.

Доказательство. Надо просто проделать указанную замену.

При указанной замене переменной получим

где  R1(y)-рациональная функция уже одного переменного y. А этот интеграл берется в силу вышеизложенного.

  Пример.

Теорема 7(интегрирование рациональной функции от ex).

Пусть R(y)- рациональная дробь. Тогда заменой  y=ex  сводится

к интегрированию  рациональной функции.

Доказательство.

Заменим y=ex  , x=lny, dx=dy/y.  Тогда

где  R1(y)=R(y)/y - рациональная функция от y.

Что и требовалось.

Пример.

1.5 Интегрирование тригонометрических выражений.

Пусть R(x, y)-рациональная функция 2-х переменных. Тогда мы займемся интегрированием выражений  R(sinx, cosx).

  Теорема 9.

Рассмотрим интеграл

1.Если  R(-x, y)=- R(x, y), то делаем замену y=cosx;

2. Если  R(x,-y)=- R(x, y), то делаем замену y=sinx;

3. Если  R(-x,-y)= R(x, y), то делаем замену y=tgx или  y=ctgx.

Все эти замены сводят интеграл к интегрированию рациональной дроби от y.

Доказательство. 

1.Заметим, что рациональные дроби, у которых одинаковые степени числителей и знаменателей, совпадают, если у них пропорциональны числители и знаменатели, являющиеся многочленами. R(-x, y) и - R(x, y)

как раз такие дроби. Причем коэффициент пропорциональности

может быть  +1 или -1. Т. е. у  R(-x, y) и R(x, y) равны либо числители, либо

знаменатели, а другие отличаются знаком. Если многочлены P(x, y)  и P(-x, y)

равны, то они содержат только четные степени x. Если они отличаются знаком, то они содержат только нечетные степени x, а при  вынесении  x

за скобки останутся  только четные степени x. В любом случае

R(x, y)=x*R1 (x2,y), где R1(x2, y)-рациональная функция от x2, y.

Тогда

и при замене  y=cosx сводится к интегрированию рациональной дроби.

Доказывается аналогично 1 с переменой местами x и y. Если  R(-x,-y)= R(x, y) то во всех входящих многочленах степени

обоих  переменных в каждом слагаемом либо обе четные, либо обе нечетные. Из нечетных можно вынести x/y, получив произведение

четных степеней. При подстановке x=sinx, y=cosx, x/y=tgx, четные степени  sinx  и cosx рационально выражаются через tgx. Т. е.

R(sinx, cosx)=R1(tgx). Тогда

. А это интеграл от рациональной функции.

При мер 1.

Если  n–нечетное, то берется по пункту 1 теоремы 9 заменой y=cosx.

Если  m–нечетное, то берется по пункту 2  теоремы 9 заменой y=sinx.

Если оба n, m - четные, то берется по пункту 3 теоремы 9 заменой y=tgx или y=ctgx.

Рассмотрим конкретный пример.

=

Если рациональная дробь  не удовлетворяет условиям теоремы 9,

то есть  универсальная замена переменного.

Теорема 10(универсальная тригонометрическая подстановка)

  Рассмотрим интеграл

Заменой  y=tg(x/2) он сводится к интегрированию рациональной дроби от  y.

Доказательство. Действительно, сделаем эту замену.

y=tg(x/2), x=2arctg(y), dx=2/(1+y2)dy, sinx=2sin(x/2)*cos(x/2)=2tg(x/2)*cos2(x/2)=2tg(x/2)*1/(1/cos2(x/2))=

2tg(x/2)*1/(tg2(x/2)+1)=2y/(y2+1).

cosx=cos2(x/2)-sin2(x/2)=cos2(x/2)(1-tg2(x/2))=(1-tg2(x/2))/(1/cos2(x/2))=

(1-tg2(x/2))/(1+tg2(x/2))=(1-y2)/(1+y2).

Тогда

Замечание. Эта подстановка всегда дает результат, но может сводиться к очень громоздким дробям, поэтому, если можно, лучше  обойтись без нее.

Пример. . Подстановки теоремы 9 здесь не применимы.

Поэтому делаем универсальную.  При этом я не рекомендую подставлять полученные формулы замены, а лучше,  пользуясь тригонометрией, подвести  tg(x/2)под дифференциал и остальную

часть тоже выразить через tg(x/2).  Тогда  замена  y=tg(x/2) просто осуществляется. При подведении надо иметь в виду, что d(tg(x/2))=dx/(2cos2(x/2)).

Итак.

=

И последний способ интегрирования тригоном.  выражений-

это интегрирование  комбинации  функций с разными аргументами.

Используем здесь формулы

Sina*cosb=(sin(a-b)+sin(a+b))/2);

Sina*sinb=(-cos(a+b)+cos((a-b))2;

cosa*cosb=(cos(a+b)+ cos(a-b))/2);

  Пример.