Материал: Неопределенные интегралы. методические указания для организации самостоятельной работы по дисциплине Математика. Бондарев А.В., Ряжских А.В

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

5

2x

3

4x 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

4

2x

3

2x

2

 

x

2

 

x

2

2x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрируем полученное равенство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

5

2x

3

 

4x 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4x

2

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

dx

 

x

2

 

 

 

 

 

 

dx

 

2x

 

 

 

 

x

4

2x

3

2x

2

 

 

x

2

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4x 2

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим

x 1 t

, тогда

x t 1

,

dx dt

. Таким образом,

 

 

 

 

 

4x 2

 

 

dx

 

4t 4 2

dt

 

4

 

 

t dt

 

2

 

 

dt

 

 

4

 

1

ln

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

1

 

 

 

t

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2arctg t C 2 ln

 

 

 

 

2x

2

 

2arctg

 

x 1

 

C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончательно получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

5

2x

3

4x 4

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

2x

2ln

x2 2x 2

2arctg

 

x

 

 

C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

3

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x

2x

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, что интеграл от любой рациональной функции может быть выражен через элементарные функции.

Задачи для самостоятельного решения

 

 

x

2

4x 4

 

1.

x x

2

4

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

 

2

x 7

 

 

dx

x

 

4x

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

 

 

2

 

x 4

 

 

dx

x

 

2x

 

 

 

 

 

10

10.

x

 

 

3

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 3

 

 

2.

 

 

 

 

4x 3

 

dx

 

 

 

x

2

x 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

 

 

 

2

x 6

 

dx

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

x

 

10

 

 

 

8.

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

 

1)

2

(x

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

2x 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.

 

 

 

 

 

 

x2 4

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1

 

 

 

3.

 

x2 x 2

dx

 

 

 

 

 

x 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

 

 

2

 

 

x 2

 

 

dx

 

x

 

 

6x 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

6x 6

 

 

9.

x

2

3x x

2

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6x 3

 

dx

 

12.

 

 

x(x2 1)

 

19

13.

 

16.

 

 

19.

 

 

 

 

x

3

dx

 

 

 

(x

2

1)(x 1)

 

x8x 1

x 4 x2 1 dx

x2 8x 8

x2 2x x 4 dx2

14.

 

 

17.

 

 

20.

 

 

 

 

 

 

 

x 3

 

dx

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1

3

 

 

 

 

 

 

(3x 7)dx

 

 

x

3

 

4x

2

4x 16

 

 

 

 

 

x

2

8x 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

4x

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

x 1

 

15.

 

 

 

 

 

18.

 

21.

 

 

 

 

x

2

4x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

x

x 2

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

x

3

x

2

4 x 4

 

 

 

 

 

 

3 2x

 

dx

 

x

2

 

x2

 

 

 

 

 

3

 

7. ИНТЕГРИРОВАНИЕ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

Рассмотрим интегралы от некоторых классов тригонометрических функций. Функцию с переменными sin x и cos x , над которыми выполняются рациональные действия (сложения, вычитания, умножения и деления), обозначают R sin x, cos x .

Вычисление интегралов вида

R sin x, cos x dx

сводится к

вычислению интегралов от рациональной функции с помощью

подстановки

t tg

x

, которая называется

2

 

 

 

нометрической подстановкой. Выразим

tg

x

, а следовательно, и через t:

2

 

 

универсальной триго-

sin x и cos x через

 

2sin

x

cos

x

 

 

 

2sin

x

 

cos

x

 

 

 

2tg

x

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

2

2

 

 

 

2

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

2

cos

2

 

1+tg

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2

x

sin

2 x

 

 

cos2

x

 

sin2

x

 

1 tg2

 

x

cos x

2

 

2

 

2

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

sin

2 x

cos

2

 

1+tg

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t 1 t2

1

1

,

t2 . t2

20

 

x

2arctg t , dx

2dt

.

 

1

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Поэтому

2t

 

1 t

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

R sin x, cos x dx R

1 t

2 ;

1 t

2

 

 

1

t

2 dt

 

 

 

 

 

 

 

 

где

R1 t – рациональная функция от t.

 

 

 

 

t dt

R

1

 

,

Часто этот способ оказывается весьма громоздким, зато он всегда приводит к результату.

На практике применяют и другие, более простые подстановки, в зависимости от вида подынтегральной функции. В частности, удобны следующие правила:

1. Если интеграл имеет вид

R sin

x cos

x

dx

, то подста-

новка t sin x ,

dt cos x dx

приводит этот интеграл к виду

 

 

 

 

 

R t dt .

 

 

 

 

2. Если интеграл имеет вид

R cos x sin x dx , то подста-

 

новка t cos x ,

dt sin x dx

приводит этот интеграл к виду

R

t

dt .

3. Если интеграл имеет вид

R tg

x dx

, то подстановка

t

tg

x

,

x

arctg t

,

dx

dt

t

1

 

2

приводит этот интеграл к интегра-

лу от рациональной функции

 

R

 

4. Если интеграл имеет вид

t

 

 

dt

.

1

t

 

 

2

 

R sin x, cos x dx , но

sin x

и

cos x входят подстановка нально через

только в четных степенях,

t tg x , так как

sin

2

x

и

cos

 

tg x :

то применяется та же

2

x

выражаются рацио-

 

21

cos

2

x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 tg

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg

2

 

x

 

sin

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 tg

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

dt

 

 

 

t

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

1

1t2

t2

1t2

.

,

,

После подстановки мы получим интеграл от рациональной функции.

Пример 1. Найти

dx 3 sin x cos x

. Сделаем универсаль-

ную подстановку

t tg

x

. Тогда

dx

2dt

,

sin x

2t

 

2

1 t

2

1 t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

1

t

2

. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2dt

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 sin x cos x

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2t

2

 

1 t

2

 

 

 

t

 

t 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t2

 

 

1

t

 

1

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

t

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2 tg

x

 

 

 

 

 

d t

2

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg

 

 

 

C

 

arctg

 

 

 

 

C.

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

7

7

 

 

 

7 2

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

3

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Найти

 

2

 

dx . Приведем этот интеграл к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

виду

R cos x sin x dx

. Получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

sin

3

x

 

 

sin

2

x sin x

 

 

dx

 

 

dx

2 cos x

 

2 cos x

 

 

1 cos2 x sin

2 cos x

x dx

.

Сделаем замену t cos x , тогда dt sin x dx . Следовательно,

22

 

1 cos

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

2

 

 

 

 

 

 

t

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

cos x

sin x dx

 

 

2 t

 

t

 

2

 

dt

t 2

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t 2

 

 

t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t 3ln t 2

C

 

 

2cos x 3ln cos x 2 C.

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

3

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3. Найти

 

 

dx

. Приведем этот интеграл к

 

 

 

 

 

sin

4

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

виду

R

sin x cos x dx . Получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

3

x

 

 

 

 

 

cos

2

x cos x

 

 

 

 

 

 

 

1 sin

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

dx

 

 

cos x dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

4

x

 

 

sin

4

x

 

 

 

 

sin

4

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сделаем замену t sin x

, тогда

dt cos x dx . Следовательно,

 

 

1 sin

2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

2

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x dx

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

sin

4

x

 

 

t

4

 

 

 

 

4

 

t

2

3t

3

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3sin3 x

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 4. Найти

 

 

 

 

 

dx

 

 

. Так как sin x

входит только в

 

 

 

 

 

1 sin

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

четной степени, то сделаем замену

t

tg

x

, тогда

x

arctg t

,

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

, sin

2

x

 

 

 

 

 

 

 

. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

2

 

1 t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 sin2 x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

t 2

 

 

2t 2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

arctg

 

 

 

tg x C.

 

 

 

 

arctg

 

2 t C

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Рассмотрим теперь интегралы вида

12

 

sin

m

 

 

d 2

2 t 2

x cos

n

 

t

x

1

dx , где

m и n – целые числа. Для нахождения таких интегралов используют следующие приемы:

23

Источник: https://studfile.net/preview/16563427/