Прикладная математика

Лекция 13 · Часть II

Интегрирование иррациональных функций

Откроется 28.11
1

Корни и подстановка t

Корни мешают считать. Заменим их одной буквой t, и корни исчезнут.

Корни √x и ∛x
Заменяем на t
Считаем без корней
корни уходят
tᵐ = (ax + b) / (cx + d)
Тэ в степени эм равно дробь: а икс плюс бэ на це икс плюс дэ. Эм — общий знаменатель степеней корня.

Запомни

  • Для √x и ∛x берём x = t⁶, dx = 6t⁵ dt.
  • Ответ для ∫dx/(√x+∛x): 2√x − 3∛x + 6⁶√x − 6·ln(⁶√x + 1) + C.
  • Для √((x−1)(x−2)) берём t² = (x−2)/(x−1).

Слова для взрослых

иррациональная функция
функция, где x стоит под корнем
общий знаменатель
число, которое делится на все знаменатели степеней
Какую замену берём для ∫dx/(√x+∛x)?

x = t⁶.

2

Подстановки Эйлера

Корень из квадратного трёхчлена тоже можно убрать. Для этого есть три подстановки Эйлера.

  1. Если a > 0: корень = ±x√a ± t.
  2. Если есть корни x₁ и x₂: t² = a(x−x₂)/(x−x₁).
  3. Если c > 0: корень = ±√c ± x·t.
  4. Потом возводим в квадрат и выражаем x через t.
√(ax² + bx + c) = ±x·√a ± t
Корень из а икс квадрат плюс бэ икс плюс цэ равен плюс-минус икс корень из а, плюс-минус тэ. Знаки можно брать любые.

Запомни

  • Возводим в квадрат и выражаем x через t.
  • Если есть корни x₁ и x₂: t² = a(x−x₂)/(x−x₁).
  • Если c > 0: корень = ±√c ± x·t.
  • Если a < 0 и корней нет, корень мнимый, такой случай не берём.

Слова для взрослых

подстановка Эйлера
замена, которая убирает корень из квадратного трёхчлена
квадратный трёхчлен
выражение вида ax² + bx + c
Что берём, если у трёхчлена есть корни x₁ и x₂?

t² = a(x−x₂)/(x−x₁).

3

Тригонометрические: u = tg(x/2)

Синус и косинус тоже можно заменить одной буквой. Тогда всё станет обычной дробью.

sin x и cos x
Замена u = tg(x/2)
Обычная дробь от u
тригонометрическая замена
sin x = 2u / (1 + u²), cos x = (1 − u²) / (1 + u²)
Синус икс равен два у на один плюс у квадрат. Косинус икс равен один минус у квадрат на один плюс у квадрат. Здесь у — тангенс половины икса.

Запомни

  • u = tg(x/2) — тангенс половины угла, новая буква.
  • Иногда проще взять u = sin x, u = cos x или u = tg x.
  • Пример: ∫dx/(1 + sin x) = −2/(1 + tg(x/2)) + C.
  • Пример: ∫dx/cos⁴x = tg x + tg³x/3 + C, берём u = tg x.

Слова для взрослых

тангенс (tg)
отношение синуса к косинусу
dx через du
dx = 2du / (1 + u²) при u = tg(x/2)
Чему равен sin x через u = tg(x/2)?

2u / (1 + u²).

4

Синус, косинус и экспонента

Синус, косинус и показательная функция часто встречаются вместе. Для них есть готовые приёмы.

sin αx · cos βx
e^(αx) · cos βx
xⁿ · sin x
три частых вида
∫ e^(αx)·cos βx dx = e^(αx)·(β·sin βx + α·cos βx) / (α² + β²) + C
Интеграл от е в степени альфа икс, на косинус бэ икс, равен дроби: е в степени альфа икс, на скобку из бэ синус бэ икс плюс альфа косинус бэ икс, делённое на альфа квадрат плюс бэ квадрат. Плюс цэ.

Запомни

  • Берём по частям дважды: нужный интеграл появляется снова, его выражаем.
  • sin αx·cos βx = ½[sin(α+β)x + sin(α−β)x].
  • Пример: ∫x²·sin x dx = −x²cos x + 2x·sin x + 2cos x + C.
  • Если степень sin или cos нечётная, берём u = cos x или u = sin x.

Слова для взрослых

e^(αx)
показательная функция: e в степени α·x
повторное интегрирование по частям
формула по частям применяется два раза подряд
Как разложить sin αx·cos βx в сумму?

½[sin(α+β)x + sin(α−β)x].

Оригинал в курсе: IntegralIrrational.pdf
Практики по теме: №19 — Интегрирование иррациональных функций; №20 — Интегрирование тригонометрических функций