AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Интегрирование по частям. Первая часть.

В этой теме мы подробно поговорим о вычислении неопределённых интегралов с помощью формулы интегрирования по частям. В первой части будут разобраны стандартные примеры, которые нередко встречаются в типовых расчётах и контрольных работах. Более сложные примеры разобраны во второй части.

Постановка задачи в стандартном случае следующая. Допустим, подынтегральная функция имеет вид \(\displaystyle{\alpha(x)\beta(x)}\), где \(\displaystyle{\alpha(x)}\) и \(\displaystyle{\beta(x)}\), условно говоря, разнородные функции: многочлен и тригонометрическая функция, многочлен и логарифм, многочлен и обратная тригонометрическая функция, и так далее. В этой ситуации удобно применение следующей теоремы:

Пусть функции \(\displaystyle{u(x)}\) и \(\displaystyle{v(x)}\) дифференцируемы на некотором промежутке, и на этом промежутке существует интеграл \(\displaystyle{\int {v} \, du}\). Тогда на этом же промежутке существует и интеграл \(\displaystyle{\int {u} \, dv}\), при этом верно следущее равенство:

\[ \begin{equation} \int {u} \, dv = u\cdot{v}-\int {v}\, du \end{equation} \]

Формулу (1) называют формулой интегрирования по частям. Существует несколько стандартных случаев, в которых явно применима формула (1). Пусть \(\displaystyle{P_n(x)}\) – многочлен n-й степени. Введём два правила:

Правило №1

Для интегралов вида \(\displaystyle{\int{P_n(x)}\ln{x}\,dx}\), \(\displaystyle{\int{P_n(x)}\arcsin{x}\,dx}\), \(\displaystyle{\int {P_n(x)}\arccos{x}\,dx}\), \(\displaystyle{\int{P_n(x)}\arctg{x}\,dx}\), \(\displaystyle{\int{P_n(x)}\arcctg{x}\,dx}\) принимаем \(\displaystyle{dv=P_n(x)dx}\).

Правило №2

Для интегралов вида \(\displaystyle{\int {P_n(x)} a^x \,dx}\) (\(\displaystyle{a\gt{0}}\), \(\displaystyle{a\neq{1}}\)), \(\displaystyle{\int {P_n(x)} \sin{x} \,dx}\), \(\displaystyle{\int {P_n(x)} \cos{x} \,dx}\), \(\displaystyle{\int {P_n(x)}\ch{x} \,dx}\), \(\displaystyle{\int {P_n(x)} \sh{x} \,dx}\) принимаем \(\displaystyle{u=P_n(x)}\).

Указанные выше интегралы не нужно воспринимать буквально. Например, в интегралах вида \(\displaystyle{\int {P_n(x)} \ln{x} \,dx}\) не обязательно будет именно \(\displaystyle{\ln{x}}\). Там могут быть расположены и \(\displaystyle{\ln{5x}}\), и \(\displaystyle{\ln\left(10x^2+14x-5\right)}\). Запись \(\displaystyle{\ln{x}}\) нужно воспринимать как своего рода обобщение.

Задача №1

Условие

Найти \(\displaystyle{\int (3x+4) \cos (2x-1) dx}\).

Решение

Подынтегральная функция \(\displaystyle{f(x)=(3x+4)\cos(2x-1)}\) есть произведение многочлена \(\displaystyle{3x+4}\) и \(\displaystyle{\cos (2x-1)}\). Это классический случай для применения формулы (1). Согласно правилу №2 нам следует принять \(\displaystyle{u=3x+4}\), тогда для \(\displaystyle{dv}\) имеем \(\displaystyle{dv=\cos(2x-1)dx}\).

Для применения формулы (1) нужно найти \(\displaystyle{v}\) и \(\displaystyle{du}\). Так как \(\displaystyle{u=3x+4}\), то

\[ du=u'dx=(3x+4)'dx=3dx \]

Теперь разберёмся с функцией \(\displaystyle{v}\). Так как \(\displaystyle{dv=\cos(2x-1)dx}\), то исходя из определения неопределённого интеграла имеем:

\[ v=\int \cos(2x-1) dx =\frac{1}{2}\int \cos(2x-1) d(2x-1) =\frac{\sin(2x-1)}{2}+C \]

Мы получили бесконечное множество функций, которое описывает формула \(\displaystyle{\frac{\sin(2x-1)}{2}+C}\). В качестве \(\displaystyle{v}\) нам нужна какая-то одна функция из этого множества. Полагая, например, \(\displaystyle{C=0}\), получим \(\displaystyle{v=\frac{\sin(2x-1)}{2}}\). К слову, можно было бы взять иное значение \(\displaystyle{C}\), но проще всего принять \(\displaystyle{C=0}\).

Теперь можно применить формулу (1). Обычно поиск \(\displaystyle{du}\) и \(\displaystyle{v}\) не расписывают отдельно, а записывают сокращённо:

\[ \int (3x+4) \cos (2x-1) dx =\left[ \begin{aligned} & u=3x+4; \; du=3dx.\\ & dv=\cos(2x-1)dx; \; v=\frac{\sin(2x-1)}{2}. \end{aligned} \right]=\\ =(3x+4)\cdot\frac{\sin(2x-1)}{2}-\int \frac{\sin(2x-1)}{2}\cdot 3dx =\frac{(3x+4)\cdot\sin(2x-1)}{2}-\frac{3}{2}\int \sin(2x-1) \;dx=\\ =\frac{(3x+4)\cdot\sin(2x-1)}{2}-\frac{3}{4}\cdot (-\cos (2x-1))+C= \frac{(3x+4)\cdot\sin(2x-1)}{2}+\frac{3}{4}\cdot \cos (2x-1)+C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{(3x+4)\cdot\sin(2x-1)}{2}+\frac{3}{4}\cdot \cos (2x-1)+C}\).

В дополниние к уже решённому примеру рассмотрим ещё один вопрос: что произойдёт, если не использовать замену, рекомендованную правилом №2? Удастся ли тогда найти интеграл? Ответ на этот вопрос я скрыл под примечание.

Что будет, если нарушить правило №2?

Если принять \(\displaystyle{u=\cos (2x-1)}\) и \(\displaystyle{dv=(3x+4)dx}\), то ничего хорошего из этого не выйдет, – интеграл не упростится. Судите сами: так как \(\displaystyle{u=\cos(2x-1)}\), то \(\displaystyle{du=-2\sin(2x-1)dx}\). Кроме того, так как \(\displaystyle{dv=(3x+4)dx}\), то

\[ v=\int (3x+4) \; dx=\frac{3x^2}{2}+4x+C.\]

Приняв \(\displaystyle{C=0}\), получим \(\displaystyle{v=\frac{3x^2}{2}+4x}\). Применим формулу (1):

\[ \int (3x+4) \cos (2x-1) dx =\cos (2x-1)\cdot \left( \frac{3x^2}{2}+4x \right) - \int \left( \frac{3x^2}{2}+4x \right) \cdot (-2\sin(2x-1))dx=\\ =\cos (2x-1)\cdot \left( \frac{3x^2}{2}+4x \right) +\int \left(3x^2+8x\right) \sin(2x-1)\,dx \]

Мы пришли к интегралу \(\displaystyle{\int \left(3x^2+8x\right) \sin(2x-1)\,dx}\), который явно сложнее нежели исходный интеграл \(\displaystyle{\int (3x+4) \cos (2x-1) dx}\). Это говорит о том, что выбор \(\displaystyle{u}\) и \(\displaystyle{dv}\) был сделан неудачно. После применения формулы интегрирования по частям полученный интеграл должен быть проще исходного, поэтому если после применения формулы (1) интеграл усложнился, то выбор \(\displaystyle{u}\) и \(\displaystyle{dv}\) осуществлён некорректно.

Задача №2

Условие

Найти \(\displaystyle{\int (3x^4+4x-1) \ln {5x} \, dx}\).

Решение

Подынтегральная функция есть произведение многочлена \(\displaystyle{3x^4+4x-1}\) на \(\displaystyle{\ln{5x}}\). Этот случай подпадает под правило №1. Согласно данноу правилу, нужно выбрать \(\displaystyle{dv=(3x^4+4x-1)dx}\), откуда имеем \(\displaystyle{v=\frac{3x^5}{5}+2x^2-x}\). Далее, \(\displaystyle{u=\ln{5x}}\), откуда получаем \(\displaystyle{du=\frac{1}{x}dx}\).

\[ \int (3x^4+4x-1) \ln{5x} \, dx =\left[ \begin{aligned} & u=\ln{5x}; \; du=\frac{1}{x}dx.\\ & dv=(3x^4+4x-1)dx; \; v=\frac{3x^5}{5}+2x^2-x. \end{aligned} \right ]=\\ =\ln{5x} \cdot \left ( \frac{3x^5}{5}+2x^2-x \right)-\int \left ( \frac{3x^5}{5}+2x^2-x \right)\cdot \frac{1}{x}dx=\\ =\left ( \frac{3x^5}{5}+2x^2-x \right)\cdot\ln{5x} -\int \left ( \frac{3x^4}{5}+2x-1 \right)dx=\\ =\left ( \frac{3x^5}{5}+2x^2-x \right)\cdot\ln{5x} - \left ( \frac{3x^5}{25}+x^2-x \right)+C =\left ( \frac{3x^5}{5}+2x^2-x \right)\cdot\ln{5x} - \frac{3x^5}{25}-x^2+x+C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{\left ( \frac{3x^5}{5}+2x^2-x \right)\cdot\ln{5x} - \frac{3x^5}{25}-x^2+x+C}\).

Задача №3

Условие

Найти \(\displaystyle{\int \arccos {x} \, dx}\).

Решение

Этот интеграл имеет структуру \(\displaystyle{\int {P_n(x)} \arccos{x} \;dx}\), подпадающую под правило №1, где многочлен \(\displaystyle{P_n(x)=1}\). Принимаем \(\displaystyle{u=\arccos{x}}\), \(\displaystyle{dv=dx}\):

\[ \int\arccos{x} \, dx =\left[ \begin{aligned} & u=\arccos x; \; du=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx.\\ & dv=dx; \; v=x. \end{aligned} \right ]=\\ =\arccos{x} \cdot x-\int x\cdot \left(-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}dx \right)= \arccos{x} \cdot x+\int \frac{xdx}{\sqrt{1-x^2}}=\\ =x\cdot\arccos{x}-\frac{1}{2}\cdot\int (1-x^2)^{-\frac{1}{2}}d(1-x^2)= =x\cdot\arccos{x}-\frac{1}{2}\cdot\frac{(1-x^2)^{\frac{1}{2}}}{\frac{1}{2}}+C=\\ =x\cdot\arccos{x}-\sqrt{1-x^2}+C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{x\cdot\arccos x-\sqrt{1-x^2}+C}\).

Задача №4

Условие

Найти \(\displaystyle{\int (3x^2+x) e^{7x} dx}\).

Решение

В этой задаче формулу интегрирования по частям придётся применять два раза. Согласно правилу №2 имеем \(\displaystyle{u=3x^2+x}\). Соответственно, \(\displaystyle{dv=e^{7x}dx}\).

\[ \int (3x^2+x) e^{7x} dx =\left[ \begin{aligned} & u=3x^2+x; \; du=(6x+1)dx.\\ & dv=e^{7x}dx; \; v=\frac{e^{7x}}{7}. \end{aligned} \right ]=\\ =(3x^2+x)\cdot\frac{e^{7x}}{7}-\int \frac{e^{7x}}{7}\cdot (6x+1)dx= \frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7}-\frac{1}{7}\cdot \int (6x+1) e^{7x}\;dx. \]

Мы пришли к интегралу \(\displaystyle{\int (6x+1) e^{7x}\;dx}\), который вновь необходимо брать по частям. Приняв \(\displaystyle{u=6x+1}\) и \(\displaystyle{dv=e^{7x}dx}\), будем иметь:

\[ \frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7}-\frac{1}{7}\cdot \int (6x+1) e^{7x}\;dx =\left[ \begin{aligned} & u=6x+1; \; du=6dx.\\ & dv=e^{7x}dx; \; v=\frac{e^{7x}}{7}. \end{aligned} \right ]=\\ =\frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7}-\frac{1}{7}\cdot \left ( (6x+1)\cdot\frac{e^{7x}}{7} - \int\frac{e^{7x}}{7}\cdot 6\;dx \right)=\\ =\frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7} -\frac{(6x+1)e^{7x}}{49} +\frac{6}{49}\cdot\int\ e^{7x}\;dx=\\ =\frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7} -\frac{(6x+1)e^{7x}}{49} +\frac{6}{49}\cdot\frac{e^{7x}}{7}+C =\frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7} -\frac{(6x+1)e^{7x}}{49} +\frac{6 e^{7x}}{343}+C. \]

Полученный ответ можно и упростить, раскрыв скобки и перегруппировав слагаемые:

\[ \frac{(3x^2+x)e^{7x}}{7}-\frac{(6x+1)e^{7x}}{49} +\frac{6 e^{7x}}{343}+C =e^{7x}\cdot \left( \frac{3x^2}{7}+\frac{x}{49}-\frac{1}{343} \right)+C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{e^{7x}\cdot \left( \frac{3x^2}{7}+\frac{x}{49}-\frac{1}{343} \right)+C}\).

Задача №5

Условие

Найти \(\displaystyle{\int (x^2+5)\sin(3x+1) dx}\).

Решение

Здесь, как и в предыдущей задаче, интегрирование по частям применяется дважды. Подробные пояснения были даны ранее, поэтому приведу только решение:

\[ \int (x^2+5)\sin(3x+1) dx =\left[ \begin{aligned} & u=x^2+5; \; du=2xdx.\\ & dv=\sin(3x+1)dx; \; v=-\frac{\cos(3x+1)}{3}. \end{aligned} \right ]=\\ =(x^2+5)\cdot \left( -\frac{\cos(3x+1)}{3} \right)-\int\left( -\frac{\cos(3x+1)}{3} \right)\cdot 2xdx=\\ = -\frac{(x^2+5)\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2}{3}\int x\cos(3x+1)dx= \left] \begin{aligned} & u=x; \; du=dx.\\ & dv=\cos(3x+1)dx; \; v=\frac{\sin(3x+1)}{3}. \end{aligned} \right]=\\ =-\frac{(x^2+5)\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2}{3}\cdot \left( x\cdot\frac{\sin(3x+1)}{3}-\int\frac{\sin(3x+1)}{3}dx \right)=\\ =-\frac{(x^2+5)\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2x\sin(3x+1)}{9}-\frac{2}{9}\cdot\int\sin(3x+1)dx=\\ =-\frac{(x^2+5)\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2x\sin(3x+1)}{9}-\frac{2}{9}\cdot \left( -\frac{\cos(3x+1)}{3}\right)+C=\\ = -\frac{(x^2+5)\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2x\sin(3x+1)}{9}+\frac{2\cos(3x+1)}{27}+C=\\ =-\frac{x^2\cdot\cos(3x+1)}{3}-\frac{5\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2x\sin(3x+1)}{9}+\frac{2\cos(3x+1)}{27}+C=\\ =-\frac{x^2\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2x\sin(3x+1)}{9}-\frac{43\cos(3x+1)}{27}+C. \]

Ответ:

\(\displaystyle{-\frac{x^2\cdot\cos(3x+1)}{3} +\frac{2x\sin(3x+1)}{9}-\frac{43\cos(3x+1)}{27}+C}\).

Применение метода интегрирования по частям в несколько нестандартных случаях, не подпадающих под действие правил №1 и №2, будет дано во второй части этой темы. Дополнительные стандартные примеры на формулу интегрирования по частям есть в решебнике: 1389, 1399, 1400, 1408, 1389, 1392, 1394.