Первообразная корень из х. Методы интегрирования иррациональных функций (корней)
На прошлых занятиях вы познакомились с правилами нахождения производной функции, узнали о применении производной для исследования функции на монотонность и экстремум; научились находить касательную к графику функции.
Вспомним правила вычисления производных:
Производная любого числа равна нулю.
Производная икса равна единице.
Производная ка икс плюс эм равна ка.
Производная единицы, делённой на икс, равна минус единице, делённой на икс в квадрате.
Производная корень из икс равна единице, делённой на два корень из икс.
Производная синуса икс равна косинус икс.
Производная косинуса икс равна минус синус икс.
Производная икс в степени эн равна эн, умноженное на икс в степени эн минус один.
Иногда приходится решать и обратные задачи, к примеру, восстановить закон движения по известной скорости.
В математике принято взаимно обратным операциям присваивать специальные названия.
Например, операция, обратная умножению, — это деление.
Операция извлечения квадратного корня обратна возведению в квадрат.
Процесс нахождения производной заданной функции называется дифференцированием, а операция, обратная ей, — интегрированием (процесс нахождения функции по данной производной).
То есть функцию, выступающую как бы родоначальником для производной данной функции, принято называть первообразной.
Определение: функцию игрек равное эф большое от икс называют первообразной для функции игрек равное эф малое от икс на заданном промежутке икс большое, если для любого икс, принадлежащего данному промежутку, выполнено равенство:
Промежуток, которому принадлежит икс, обычно не указывают, но подразумевают.
Рассмотрим примеры.
1.Функция игрек, равное икс в квадрате, является первообразной для функции игрек, равное два икс, так как для любого икс справедливо равенство: производная икс в квадрате равна два икс.
2. Функция игрек, равное икс в кубе, является первообразной для функции игрек, равное три икс в квадрате, так как для любого икс справедливо равенство: производная икс в кубе равна три икс в квадрате.
3.Функция игрек, равное синус икс, является первообразной для функции игрек, равное косинус икс, так как для любого икс выполняется равенство: производная синуса икс равна косинус икс.
4.Функция игрек, равное корень из икс, является первообразной для функции игрек, равное один, делённое на два корень из икс, на промежутке от нуля до бесконечности, так как для любого икс больше нуля выполняется равенство: производная корень из икс равна единице, делённой на два корень из икс.
Зная формулы для нахождения производных, не сложно составить таблицу первообразных:
1.Первообразная нуля равна константе.
2.Первообразная единицы равна икс.
3.Первообразная для икс равна икс в квадрате, делённое на два.
4. Первообразная для функции икс в степени эн, эн принадлежит множеству натуральных чисел, равна икс в степени эн плюс один, делённое на эн плюс один.
5.Первообразная для функции один, делённое на икс в квадрате, равна минус один, делённое на икс.
6.Первообразная для функции один, делённое на корень из икс равна два корень из икс, причём икс больше нуля.
7. Первообразная для функции синус икс равна минус косинус икс.
8. Первообразная для функции косинус икс равна синус икс.
9. Первообразная для функции один, делённое на синус в квадрате икс, равна минус котангенс икс.
10. Первообразная для функции один, делённое на косинус в квадрате икс, равна тангенс икс.
Рассмотрим примеры на нахождение первообразной различных функций.
Задание 1
Доказать, что функция является первообразной для функции, если первообразная функции равна икс в шестой степени, сама функция равна шесть икс в пятой степени.
Решение:
1. По определению первообразной, функцию игрек, равное эф большое от икс, называют первообразной для функции игрек, равное эф малое от икс, на заданном промежутке икс большое, если для любого икс, принадлежащего данному промежутку, выполнено равенство: .
2. Найдём производную эф большое по формуле нахождения производной степенной функции, она равна шесть икс в пятой степени.
Мы получили равенство двух выражений, значит, по определению первообразной, функция эф большое, равная икс в шестой степени, является первообразной для функции эф малая, равной шесть икс в пятой степени.
Задание 2
Для функции (игрек, равное эф от икс малое) найти первообразную, если
(эф от икс равно минус один, делённое на икс в кубе).
Решение:
1.По определению степени с целым отрицательным показателем представим выражение минус один, делённое на икс в кубе, в виде: минус икс в минус третьей степени.
2. По формуле нахождения первообразной степенной функции, найдём первообразную для функции эф от икс, равное минус икс в минус третьей степени.
Получим, минус икс в степени минус три плюс один, делённое на минус три плюс один.
Упрощая выражение, имеем минус икс в степени минус два, делённое на минус два, сократив минусы, получаем: икс в степени минус два, делённое на два.
По определению степени с целым отрицательным показателем представим выражение в виде: один, делённое на два икс в квадрате.
Таким образом, первообразной для функции эф от икс малое, равной минус один, делённое на икс в кубе, является функция эф большое, равная один, делённое на два икс в квадрате.
Даны основные методы интегрирования иррациональных функций (корней). Они включают в себя: интегрирование дробно-линейной иррациональности, дифференциального бинома, интегралы с квадратным корнем из квадратного трехчлена. Приводятся тригонометрические подстановки и подстановки Эйлера. Рассмотрены некоторые эллиптические интегралы, выражающиеся через элементарные функции.
Иррациональная функция от переменной - это функция, которая образована из переменной и произвольных постоянных с помощью конечного числа операций сложения, вычитания, умножения (возведения в целочисленную степень), деления и извлечения корней. Иррациональная функция отличается от рациональной тем, что иррациональная функция содержит операции извлечения корней.
Существует три основных типа иррациональных функций, неопределенные интегралы от которых приводятся к интегралам от рациональных функций. Это интегралы, содержащие корни произвольных целочисленных степеней из дробно-линейной функции (корни могут быть различных степеней, но от одной и той же, дробно-линейной функции); интегралы от дифференциального бинома и интегралы с квадратным корнем из квадратного трехчлена.
Важное замечание. Корни многозначны!
При вычислении интегралов, содержащих корни, часто встречаются выражения вида , где - некоторая функция от переменной интегрирования . При этом следует иметь в виду, что . То есть, при t > 0 , |t| = t . При t < 0 , |t| = - t . Поэтому, при вычислении подобных интегралов, нужно отдельно рассматривать случаи t > 0 и t < 0 . Это можно сделать, если писать знаки или там, где это необходимо. Подразумевая, что верхний знак относится к случаю t > 0 , а нижний - к случаю t < 0 . При дальнейшем преобразовании, эти знаки, как правило, взаимно сокращаются.
Возможен и второй подход, при котором подынтегральную функцию и результат интегрирования можно рассматривать как комплексные функции от комплексных переменных. Тогда можно не следить за знаками в подкоренных выражениях. Этот подход применим, если подынтегральная функция является аналитической, то есть дифференцируемой функцией от комплексной переменной. В этом случае и подынтегральная функция и интеграл от нее являются многозначными функциями. Поэтому после интегрирования, при подстановке численных значений, нужно выделить однозначную ветвь (риманову поверхность) подынтегральной функции, и для нее выбрать соответствующую ветвь результата интегрирования.
Дробно-линейная иррациональность
Это интегралы с корнями от одной и той же дробно-линейной функции:
,
где R
- рациональная функция, - рациональные числа, m 1 , n 1 , ..., m s , n s
- целые числа, α, β, γ, δ
- действительные числа.
Такие интегралы сводится к интегралу от рациональной функции подстановкой:
,
где n
- общий знаменатель чисел r 1 , ..., r s
.
Корни могут быть не обязательно от дробно-линейной функции, но и от линейной (γ = 0 , δ = 1 ), или от переменной интегрирования x (α = 1 , β = 0 , γ = 0 , δ = 1 ).
Вот примеры таких интегралов:
,
.
Интегралы от дифференциальных биномов
Интегралы от дифференциальных биномов имеют вид:
,
где m, n, p
- рациональные числа, a, b
- действительные числа.
Такие интегралы сводятся к интегралам от рациональных функций в трех случаях.
1)
Если p
- целое. Подстановка x = t N
,
где N
- общий знаменатель дробей m
и n
.
2)
Если - целое. Подстановка a x n + b = t M
,
где M
- знаменатель числа p
.
3)
Если - целое. Подстановка a + b x - n = t M
,
где M
- знаменатель числа p
.
В остальных случаях, такие интегралы не выражаются через элементарные функции.
Иногда такие интегралы можно упростить с помощью формул приведения:
;
.
Интегралы, содержащие квадратный корень из квадратного трехчлена
Такие интегралы имеют вид:
,
где R
- рациональная функция. Для каждого такого интеграла имеется несколько методов решения.
1)
С помощью преобразований привести к более простым интегралам.
2)
Применить тригонометрические или гиперболические подстановки.
3)
Применить подстановки Эйлера.
Рассмотрим эти методы более подробно.
1) Преобразование подынтегральной функции
Применяя формулу ,
и выполняя алгебраические преобразования, приводим подынтегральную функцию к виду:
,
где φ(x), ω(x)
- рациональные функции.
I тип
Интеграл вида:
,
где P n (x)
- многочлен степени n
.
Такие интегралы находятся методом неопределенных коэффициентов, используя тождество:
.
Дифференцируя это уравнение и приравнивая левую и правую части, находим коэффициенты A i
.
II тип
Интеграл вида:
,
где P m (x)
- многочлен степени m
.
Подстановкой t = (x - α) -1
этот интеграл приводится к предыдущему типу. Если m ≥ n
,
то у дроби следует выделить целую часть.
III тип
Здесь мы делаем подстановку:
.
После чего интеграл примет вид:
.
Далее, постоянные α, β
нужно выбрать такими, чтобы в знаменателе коэффициенты при t
обратились в нуль:
B = 0, B 1 = 0
.
Тогда интеграл распадается на сумму интегралов двух видов:
,
,
которые интегрируются подстановками:
u 2 = A 1 t 2 + C 1
,
v 2 = A 1 + C 1 t -2
.
2) Тригонометрические и гиперболические подстановки
Для интегралов вида ,
a > 0
,
имеем три основные подстановки:
;
;
;
Для интегралов ,
a > 0
,
имеем следующие подстановки:
;
;
;
И, наконец, для интегралов ,
a > 0
,
подстановки следующие:
;
;
;
3) Подстановки Эйлера
Также интегралы могут быть сведены к интегралам от рациональных функций одной из трех подстановок Эйлера:
, при a > 0
;
, при c > 0
;
, где x 1
- корень уравнения a x 2 + b x + c = 0
.
Если это уравнение имеет действительные корни.
Эллиптические интегралы
В заключении рассмотрим интегралы вида:
,
где R
- рациональная функция, .
Такие интегралы называются эллиптическими. В общем виде они не выражаются через элементарные функции. Однако встречаются случаи, когда между коэффициентами A, B, C, D, E
существуют соотношения, при которых такие интегралы выражаются через элементарные функции.
Ниже приводится пример, связанный с возвратными многочленами. Вычисление подобных интегралов выполняется с помощью подстановок:
.
Пример
Вычислить интеграл:
.
Решение
Делаем подстановку .
.
Здесь при x > 0
(u > 0
) берем верхний знак ′+
′. При x < 0
(u < 0
) - нижний ′-
′.
.
Ответ
Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.
Ранее мы по заданной функции, руководствуясь различными формулами и правилами, находили ее производную. Производная имеет многочисленные применения: это скорость движения (или, обобщая, скорость протекания любого процесса); угловой коэффициент касательной к графику функции; с помощью производной можно исследовать функцию на монотонность и экстремумы; она помогает решать задачи на оптимизацию.
Но наряду с задачей о нахождении скорости по известному закону движения встречается и обратная задача - задача о восстановлении закона движения по известной скорости. Рассмотрим одну из таких задач.
Пример 1.
По прямой движется материальная точка, скорость ее движения в момент времени t задается формулой v=gt. Найти
закон движения.
Решение. Пусть s = s(t) - искомый закон движения. Известно, что s"(t) = v(t). Значит, для решения задачи нужно подобрать функцию
s = s(t), производная которой равна gt. Нетрудно догадаться, что \(s(t) = \frac{gt^2}{2} \). В самом деле
\(s"(t) = \left(\frac{gt^2}{2} \right)" = \frac{g}{2}(t^2)" = \frac{g}{2} \cdot 2t = gt \)
Ответ: \(s(t) = \frac{gt^2}{2} \)
Сразу заметим, что пример решен верно, но неполно. Мы получили \(s(t) = \frac{gt^2}{2} \). На самом деле задача имеет бесконечно много решений: любая функция вида \(s(t) = \frac{gt^2}{2} + C \), где C - произвольная константа, может служить законом движения, поскольку \(\left(\frac{gt^2}{2} +C \right)" = gt \)
Чтобы задача стала более определенной, нам надо было зафиксировать исходную ситуацию: указать координату движущейся точки в какой-либо момент времени, например при t = 0. Если, скажем, s(0) = s 0 , то из равенства s(t) = (gt 2)/2 + C получаем: s(0) = 0 + С, т. е. C = s 0 . Теперь закон движения определен однозначно: s(t) = (gt 2)/2 + s 0 .
В математике взаимно обратным операциям присваивают разные названия, придумывают специальные обозначения, например: возведение в квадрат (х 2) и извлечение квадратного корня (\(\sqrt{x} \)), синус (sin x) и арксинус (arcsin x) и т. д. Процесс нахождения производной по заданной функции называют дифференцированием , а обратную операцию, т. е. процесс нахождения функции по заданной производной, - интегрированием .
Сам термин «производная» можно обосновать «по-житейски»: функция у = f(x) «производит на свет» новую функцию у" = f"(x). Функция у = f(x) выступает как бы в качестве «родителя», но математики, естественно, не называют ее «родителем» или «производителем», они говорят, что это, по отношению к функции у" = f"(x), первичный образ, или первообразная.
Определение. Функцию y = F(x) называют первообразной для функции y = f(x) на промежутке X, если для \(x \in X \) выполняется равенство F"(x) = f(x)
На практике промежуток X обычно не указывают, но подразумевают (в качестве естественной области определения функции).
Приведем примеры.
1) Функция у = х 2 является первообразной для функции у = 2х, поскольку для любого х справедливо равенство
(x 2)" = 2х
2) Функция у = х 3 является первообразной для функции у = 3х 2 , поскольку для любого х справедливо равенство
(x 3)" = 3х 2
3) Функция у = sin(x) является первообразной для функции y = cos(x), поскольку для любого x справедливо равенство
(sin(x))" = cos(x)
При нахождении первообразных, как и производных, используются не только формулы, но и некоторые правила. Они непосредственно связаны с соответствующими правилами вычисления производных.
Мы знаем, что производная суммы равна сумме производных. Это правило порождает соответствующее правило нахождения первообразных.
Правило 1. Первообразная суммы равна сумме первообразных.
Мы знаем, что постоянный множитель можно вынести за знак производной. Это правило порождает соответствующее правило нахождения первообразных.
Правило 2. Если F(x) - первообразная для f(x), то kF(x) - первообразная для kf(x).
Теорема 1. Если y = F(x) - первообразная для функции y = f(x), то первообразной для функции у = f(kx + m) служит функция \(y=\frac{1}{k}F(kx+m) \)
Теорема 2. Если y = F(x) - первообразная для функции y = f(x) на промежутке X, то у функции у = f(x) бесконечно много первообразных, и все они имеют вид y = F(x) + C.
Методы интегрирования
Метод замены переменной (метод подстановки)
Метод интегрирования подстановкой заключается во введении новой переменной интегрирования (то есть подстановки). При этом
заданный интеграл приводится к новому интегралу, который является табличным или к нему сводящимся. Общих методов подбора
подстановок не существует. Умение правильно определить подстановку приобретается практикой.
Пусть требуется вычислить интеграл \(\textstyle \int F(x)dx \). Сделаем подстановку \(x= \varphi(t) \) где
\(\varphi(t) \) - функция, имеющая непрерывную производную.
Тогда \(dx = \varphi " (t) \cdot dt \) и на основании свойства инвариантности формулы интегрирования неопределенного интеграла
получаем формулу интегрирования подстановкой:
\(\int F(x) dx = \int F(\varphi(t)) \cdot \varphi " (t) dt \)
Интегрирование выражений вида \(\textstyle \int \sin^n x \cos^m x dx \)
Если m нечётное, m > 0, то удобнее сделать подстановку sin x = t.
Если n нечётное, n > 0, то удобнее сделать подстановку cos x = t.
Если n и m чётные, то удобнее сделать подстановку tg x = t.
Интегрирование по частям
Интегрирование по частям - применение следующей формулы для интегрирования:
\(\textstyle \int u \cdot dv = u \cdot v - \int v \cdot du \)
или:
\(\textstyle \int u \cdot v" \cdot dx = u \cdot v - \int v \cdot u" \cdot dx \)