Методы интегрирования иррациональных функций (корней)
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.
Далее, по возможности, мы будем применять первый подход, и следить за знаком подкоренных выражений.
Дробно-линейная иррациональность
Это интегралы с корнями от одной и той же дробно-линейной функции:
,
где R – рациональная функция, – рациональные числа, m1, n1, . ms, ns – целые числа, α, β, γ, δ – действительные числа.
Такие интегралы сводится к интегралу от рациональной функции подстановкой:
, где n – общий знаменатель чисел r1, . rs .
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.
Подробнее >>>
Далее выделяя целую часть у ω(x) и раскладывая остаток на простейшие дроби, получаем интегралы трех типов.
I тип
Интеграл вида:
,
где Pn(x) – многочлен степени n .
Такие интегралы находятся методом неопределенных коэффициентов, используя тождество:
.
Дифференцируя это уравнение и приравнивая левую и правую части, находим коэффициенты Ai .
Подробнее >>>
II тип
Интеграл вида:
,
где Pm(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.
Подробнее >>>
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, B1 = 0 .
Тогда интеграл распадается на сумму интегралов двух видов:
,
,
которые интегрируются подстановками:
u 2 = A1t 2 + C1 ,
v 2 = A1 + C1 t –2 .
Подробнее >>>
2) Тригонометрические и гиперболические подстановки
В некоторых случаях, применение тригонометрических и гиперболических подстановок приводит к более коротким вычислениям. Для их применения, с помощью линейной подстановки, квадратный трехчлен под знаком интеграла нужно привести к сумме или разности квадратов. Затем нужно применить одну из тригонометрических или гиперболических подстановок. Основные подстановки перечислены ниже. Более подробно они рассматриваются на странице:
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 x1 – 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
.
Здесь при x > 0 ( u > 0 ) берем верхний знак ′ + ′. При x 0 ( u 0 ) – нижний ′ – ′.
Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 02-04-2015 Изменено: 30-01-2018
Интегрирование иррациональных функций: способы и примеры решений
Будут и задачи для самостоятельного решения, к которым можно посмотреть ответы.
Рассмотрим интегралы от иррациональных функций, то есть функций, содержащих переменную (обычно икс) под корнем или, что то же самое — в дробной степени. Интегралы от таких функций с помощью подстановок приводятся к интегралам от рациональных функций и могут быть проинтегрированы окончательно.
В подынтегральном выражении — различные дробно-рациональные функции
Разберём интегралы, где в подынтегральном выражении переменная присутствует под корнем. В формально обобщённом виде речь идёт об интегралах вида
,
В примерах мы увидим, что переменная икс, присутствующая под корнем, присутствует там без степени. В примере 3 икс присутствует также в квадрате, но при этом — не по корнем. То есть корни отдельно, степени — отдельно.
В этом случае важное значение имеет наименьшее общее кратное чисел λ , . μ (или общий знаменатель, если эти числа дробные). Обозначим это наименьшее общее кратное (общий знаменатель) через n . Рассматриваемые интегралы от иррациональных функций можно найти, используя следующую подстановку:
Тогда каждая дробная степень «икса» выразится через целую степень «тэ» и подынтегральная функция преобразуется в рациональную функцию от «тэ».
Пример 1. Найти интеграл от иррациональной функции .
Решение. Преобразуем все корни икса в степени. Выписываем степени при иксе в подынтегральном выражении — все, которые там находим:
.
Находим наименьшее общее кратное знаменателей этих чисел: 4.
Поэтому используем следующую подстановку:
Подставляем и преобразуем:
Возвращаясь к переменной икс, окончательно находим:
.
Пример 2. Найти интеграл от иррациональной функции .
Решение. Используем следующую подстановку:
Подставляем и преобразуем:
Интегрируем и получаем:
Возвращаясь к переменной икс, окончательно находим:
.
Найти интеграл от иррациональной функции самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 3. Найти интеграл от иррациональной функции .
Пример 4. Найти интеграл от иррациональной функции
.
Корень из квадратного трёхчлена и подстановки Эйлера
Если дан интеграл иррациональной функции вида
,
то есть в подынтегральном выражении — корень из квадратного трёхлчена, то можно воспользоваться подстановками Эйлера.
,
В зависимости от характера корней квадратного уравнения используются следующие подстановки Эйлера.
1. Если x 1 , x 2 — действительные числа (не комплексные), то используется подстановка
(первая подстановка Эйлера).
2. Если x 1 , x 2 — комплексные числа и a > 0 , то используется подстановка
(вторая подстановка Эйлера).
3. Если x 1 , x 2 — комплексные числа и c > 0 , то используется подстановка
(третья подстановка Эйлера).
Пример 5. Найти интеграл от иррациональной функции .
Решение. Разложим квадратный трёхчлен на множители:
Используем первую подстановку Эйлера:
Интегрируем и получаем:
Возвращаясь к переменной икс, сначала долго занимаемся преобразованием выражений, а затем окончательно находим:
Пример 6. Найти интеграл от иррациональной функции .
Используем вторую подстановку Эйлера:
Интегрируем и получаем:
.
Возвращаясь к переменной икс, окончательно находим:
.
Найти интеграл от иррациональной функции самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 7. Найти интеграл от иррациональной функции .
(использовать третью подстановку Эйлера).
Интегралы от дифференциального бинома и подстановки Чебышева
,
где m, n, p — рациональные числа (целые или дробные), называются интегралами от дифференциального бинома. В примерах мы увидим, что в подынтегральных выражениях переменная икс присутствует не только под корнем: она под корнем, но ещё и в степени. В этом главное отличие рассматриваемых интегралов от тех, которые были рассмотрены в первом параграфе.
Чтобы найти такие интегралы, используются подстановки Чебышева.
1. Если p — целое число, то используется подстановка
,
где k — наименьшее общее кратное знаменателей m и n.
2. Если — целое число, то используется подстановка
,
где s — знаменатель дроби p .
3. Если — целое число, то используется подстановка
,
где s — знаменатель дроби p .
Русский математик П.Л. Чебышев доказал, что только в перечисленных трёх случаях интеграл от дифференциальных биномов с рациональными показателями степени выражается через элементарные функции.
Пример 8. Найти интеграл от иррациональной функции .
Преобразуем корни в степени и избавимся от дроби:
Здесь p = -1 (целое число). Чтобы избавиться от степени икса в скобках, сделаем промежуточную подстановку
:
.
Теперь сделаем следующую подстановку:
Подставляем и получаем:
Возвращаемся к переменной z :
.
Возвращаясь к переменной икс, окончательно находим:
.
Пример 9. Найти интеграл от иррациональной функции .
Преобразуем корни в степени и избавимся от дроби:
.
Здесь m = 3 , n = 2 , , (целое число).
Cделаем промежуточную подстановку
:
.
Теперь, чтобы избавиться от дробной степени выражения в скобках, сделаем следующую подстановку:
.
Интегрируем и получаем:
.
Возвращаемся к переменной z :
.
Возвращаясь к переменной икс, окончательно находим:
.
Найти интеграл от иррациональной функции самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 10. Найти интеграл от иррациональной функции .
— целое число.
Частный случай квадратичных иррациональностей
Рассмотрим интеграл от иррациональной функции вида
, (1)
где в знаменателе — квадратный корень из квадратного трёхчлена.
Чтобы проинтегрировать любой интеграл такого вида, необходимо уметь находить интегралы и .
Формула для нахождения первого из них:
(2)
Второй интеграл находится по формуле
(3)
Формулы (2 и (3) можно условно считать табличными интегралами. Если в подкоренном выражении интеграла (1) выделить полный квадрат, то при a > 0 это выражение примет вид
После подстановки t = x – m в первом случае интеграл (1) приводится к интегралу (3), во втором – к интегралу (2).
Пример 11. Найти интеграл от иррациональной функции
Решение. Выделим в подкоренном выражении полный квадрат:
Произведя теперь подстановку
причём при интегрировании воспользовались формулой (3). Возвращаясь к старой переменной, окончательно получим
Найти интеграл от иррациональной функции самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 12. Найти интеграл от иррациональной функции
Калькулятор Интегралов. Решение Определенных и Неопределенных Интегралов (первообразных)
Верхний предел | ∫ |
Нижний предел | Ввод распознает различные синонимы функций, как asin , arsin , arcsin Знак умножения и скобки расставляются дополнительно — запись 2sinx сходна 2*sin(x) Список математических функций и констант : • ln(x) — натуральный логарифм • sh(x) — гиперболический синус • ch(x) — гиперболический косинус • th(x) — гиперболический тангенс • cth(x) — гиперболический котангенс • sch(x) — гиперболический секанс • csch(x) — гиперболический косеканс • arsh(x) — обратный гиперболический синус • arch(x) — обратный гиперболический косинус • arth(x) — обратный гиперболический тангенс • arcth(x) — обратный гиперболический котангенс • arsch(x) — обратный гиперболический секанс • arcsch(x) — обратный гиперболический косеканс источники: http://function-x.ru/integral202.html http://mathdf.com/int/ru/ |