II. Основные методы интегрирования.

1. Непосредственное интегрирование.

Определение. Метод интегрирования, при котором данный интеграл путем тождественных преобразований подынтегральной функции (или подынтегрального выражения) и применяя свойства неопределенного интеграла приводится к одному или нескольким табличным интегралам называется непосредственным интегрированием.

Часто при непосредственном интегрировании используются следующие преобразования дифференциала (операция «внесения под знак дифференциала»):

1. du=d(u+a), где а – некоторое число.
2. , а¹0.
3. .

Например. 1) ;

2) ;

3) .

При вычислении данных интегралов пользовались формулами 1 и 2 таблицы интегралов, которая приведена ниже.

Таблица основных неопределенных интегралов.

1. Метод интегрирования подстановкой (заменой переменной).

Метод интегрирования подстановкой заключается во введении новой переменной интегрирования. При этом заданный интеграл приводится к новому интегралу, который является табличным или к нему сводящимся.

Данный метод интегрирования основывается на следующей теореме:

Теорема. Пусть функцию f(x) можно представить в виде: f(x)=g(j(x))×j¢(х), тогда если G(u) является первообразной для g(u), то и G(j(x)) является первообразной для g(j(x)). То есть имеет место равенство: .

Например.

.

1. Метод интегрирования по частям.

Интегрирование по частям состоит в том, что подынтегральное выражение некоторого интеграла представляется в виде произведения двух сомножителей u и dv, затем используется формула интегрирования по частям.

Теорема Пусть функции u(x) и v(x) дифференцируемы, тогда имеет место формула:

.

Так как u¢(x)dx=du, v¢(x)dx=dv, то формулу можно переписать в виде:

Например.

Формулу интегрирования по частям в процессе решения можно применять несколько раз.

Например

Например

перенесем из правой части равенства в левую:

Некоторые типы интегралов, которые удобно вычислять методом интегрирования по частям:

; ; , где Р(х)– многочлен от х, к – некоторое число	u=P(x), dv – остальные множители
; ; ; ;	dv=P(x)dх, u – все остальные множители
; , где а и b – некоторые числа	, dv – остальные множители

1. Интегрирование рациональных дробей.

ОпределениеРациональнымибудем называть дроби вида , где P_n(x), Q_m(x) многочлены соответственно n-ой и m-ой степени от х. К простейшим рациональным дробям отнесем дроби четырех типов:

, где А и а – некоторые действительные числа, – простейшая дробь первого типа;

– простейшая дробь второго типа;

– простейшая дробь третьего типа;

– простейшая дробь четвертого типа.

Рассмотрим интегрирование дробей первых трех типов.

1) .

2) .

3) Интегрирование простейшей дроби третьего типа проводится в два этапа. Разберем процесс интегрирования на примере.

(выделим в числителе производную знаменателя для последующего внесения под знак дифференциала: (х²+2х+3)¢=2х+2)

Определение Рациональные дроби называются правильными если степень многочлена в числителе меньше степени многочлена в знаменателе и неправильными если степень многочлена в числителе больше или равна степени многочлена в знаменателе.

В случае неправильной рациональной дроби возможно выделить целую часть. Для этого многочлен из числителя делят с остатком на многочлен знаменателя. Полученное частное будет целой частью, а остаток – числителем новой правильной рациональной дроби. Например, выделим целую часть: .

Таким образом, интегрирование рациональных дробей в обоих случаях сводится к интегрированию правильной рациональной дроби, которая не всегда является простейшей рациональной дробью одного из четырех типов.

Рассмотрим некоторый многочлен Q(x). Пусть число а является корнем этого многочлена, тогда Q(x)=(х-а)Q₁(x), где Q₁(x) – многочлен степени на 1 меньше степени Q(x). Число а может быть корнем кратности к, тогда Q(x)=(х-а)^кQ₂(x), где Q₂(x) – многочлен степени на к меньше степени Q(x). Кроме того, многочлен Q(x) наряду с действительными корнями может иметь комплексный корень a+bi, тогда комплексное число a-bi также будет корнем Q(x). В этом случае Q(x)=(х²+px+q)Q₃(x), где х²+px+q=(х-(a+bi))(х-(a-bi)). Если же указанные комплексные числа являются корнями кратности m, тогда Q(x)=(х²+px+q)^mQ₄(x).

Таким образом, всякий многочлен Q(x) можно представить в виде:

Q(x)=(х-а₁)^к₁(х-а₂)^к₂…(х-а_n)^k_n(х²+p₁x+q₁)^m₁(х²+p₂x+q₂)^m₂…( х²+p_sx+q_s)^m_s.

Теорема. Любую правильную рациональную дробь можно представить в виде суммы простейших рациональных дробей 1-4 типов.

Например. Рассмотрим алгоритм представления правильной рациональной дроби в виде суммы простейших рациональных дробей 1-4 типов.

Так как знаменатели дробей равны, очевидно, должны быть равны и числители, а это равенство возможно при равенстве коэффициентов при одинаковых степенях х. Таким образом, подставив вместо неопределенных коэффициентов A, B, C их значения получим: .

Например Найти интеграл .

Подынтегральная функция является неправильной рациональной дробью. После деления числителя на знаменатель с остатком получим: .

Разложим правильную рациональную дробь на простейшие методом неопределенных коэффициентов:

отсюда следует, что Решая полученную систему линейных уравнений, получаем Тогда , то есть = ;

Найдем отдельно

Таким образом, .

1. Интегрирование тригонометрических функций.

1. Пусть необходимо найти , где R – некоторая функция

При отыскании таких интегралов часто бывает полезно воспользоваться универсальной тригонометрической подстановкой: . С ее помощью всегда можно перейти от интеграла тригонометрической функции к интегралу от рациональной функции:

, , х=2arctgt, .

2. Если функция R(sinx, cosx) нечетна относительно sinx, то есть R(-sinx, cosx)=- R(sinx, cosx), то применяют подстановку cosx=t;

3. Если функция R(sinx, cosx) нечетна относительно соsx, то есть R(sinx, -cosx)=- R(sinx, cosx), то применяют подстановку sinx=t;

4. Если функция R(sinx, cosx) четна относительно sinx и соsx, то есть R(-sinx, -cosx)=R(sinx, cosx), то применяют подстановку tgx=t; такая же подстановка применяется в случае .

Например.

Например Найти интеграл . Подынтегральная функция четна относительно sinx, тогда применяем подстановку tgx=t.

.

5. Для нахождения интегралов вида используют следующие приемы:

а) если n – нечетное целое положительное число, то используют подстановку sinx=t;

б) если m – нечетное целое положительное число, то используют подстановку соsx=t;

в) если m и n – целые неотрицательные четные числа, то используют формулы понижения порядка ; ; ;

г) если m+n – четное отрицательное целое число, то используют подстановку tgx=t.

Например. .

Например.

.

Например.

.

6. Интегралы типа ; ; вычисляются с помощью тригонометрических формул:

; ;

Например .

1. Интегрирование иррациональных функций.

1. Квадратичные иррациональности.

Интегралы типа ; ; называют интегралами от квадратичных иррациональностей. Их можно найти выделив под знаком корня полный квадрат и сделать подстановку .

Например

.

Например

.

1. Дробно-линейная подстановка.

Интегралы типа , где a, b, c, d - действительные числа, a, b, d, g – натуральные числа, сводятся к интегралам от рациональной функции с помощью подстановки , где к – наименьшее общее кратное дробей .

Например.

.

Например.

.

1. Тригонометрическая подстановка.

Интегралы типа ; ; приводятся к интегралам от тригонометрических функций с помощью следующих подстановок:

а) для интеграла подстановка х=a×sint;

б) для интеграла подстановка х=a×tgt;

в) для интеграла подстановка .

Например.

.