AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Интегрирование подстановкой (внесение под знак дифференциала). Первая часть.

Самый первый метод, который стоит испытать, рассматривая неопределённый интеграл, – это непосредственное интегрирование. Однако если заданный интеграл не является табличным, да и привести его к табличному интегралу, преобразуя подынтегральную функцию, не удаётся, то необходимо использовать иные методы интегрирования.

Фактически суть любого метода нахождения неопределённых интегралов состоит в том, чтобы с помощью неких преобразований свести заданный интеграл к табличным. Самый первый метод, который стоит попробовать применить с этой целью, – интегрирование подстановкой.

Итак, пусть на некоем промежутке определена сложная функция \(\displaystyle{f(\varphi(x))}\), причём функция \(\displaystyle{u=\varphi(x)}\) непрерывна на этом промежутке и дифференцируема во всех его внутренних точках. Тогда если существует интеграл \(\displaystyle{\int{f(u)}du}\), то существует и интеграл \(\displaystyle{\int{f(\varphi(x))}\varphi'(x)\,dx}\), причём

\[ \int{f(\varphi(x))}\varphi'(x)\,dx =\left.\int{f(u)}du\right|_{u=\varphi(x)} =F(u)+C =F(\varphi(x))+C \]

Эта формула выражает собой суть метода интегрирования подстановкой. Иное название – подведение (внесение) под знак дифференциала. Проблематичен в данном методе именно выбор подстановки \(\displaystyle{u}\). Наиболее проста линейная подстановка \(\displaystyle{u=kx+b}\). В этом случае полезна формула

\[ \begin{equation} dx=\frac{1}{k}d(kx+b), \; k\neq{0}. \end{equation} \]
Как была получена данная формула?

Так как \(\displaystyle{dy=y'dx}\), то

\[ d(kx+b)=(kx+b)'dx=kdx \]

Из полученного равенства при условии \(\displaystyle{k\neq{0}}\) имеем \(\displaystyle{dx=\frac{1}{k}d(kx+b)}\).

В частном случае, при \(\displaystyle{k=1}\) из формулы (1) получим:

\[ \begin{equation} dx=d(x+C) \end{equation} \]

Задача №1

Условие

Найти \(\displaystyle{\int \frac{dx}{x+4}}\).

Решение

Если мы обратимся к таблице неопределённых интегралов, то не сможем найти формулу, которая точно соответствует заданному интегралу. Наиболее близка к нему формула №2 таблицы интегралов, т.е. \(\displaystyle{\int \frac{du}{u}=\ln|u|+C}\).

Проблема в следующем: формула \(\displaystyle{\int \frac{du}{u}=\ln|u|+C}\) предполагает, что в интеграле \(\displaystyle{\int \frac{du}{u}}\) выражения в знаменателе и под знаком дифференциала должны быть одинаковы, однако для заданного интеграла это условие нарушено.

С целью привести заданный интеграл к табличному, осуществим подстановку \(\displaystyle{u=x+4}\):

\[ \int \frac{dx}{x+4} =\int\frac{1}{x+4}\cdot(x+4)'dx =[u=x+4] =\int\frac{1}{u}du =\ln|u|+C =\ln|x+4|+C \]

Обычно столь формально решение не записывают, предпочитая в подобных случаях не вводить новую функцию \(\displaystyle{u}\), а сразу, учитывая формулу (2), выполнить подведение \(\displaystyle{x+4}\) под знак дифференциала:

\[ \int\frac{dx}{x+4} =\int\frac{d(x+4)}{x+4} =\ln|x+4|+C \]

В дальнейшем мы станем использовать именно этот способ записи.

Ответ:

\(\displaystyle{\ln|x+4|+C}\).

Задача №2

Условие

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

Решение

Если мы обратимся к таблице неопределённых интегралов, то не сможем найти формулу, которая точно соответствует интегралу \(\displaystyle{\int {e^{3x}}dx}\). Наиболее близка к этому интегралу формула №4 из таблицы, т.е. \(\displaystyle{\int{e^u} du=e^u+C}\). Применяя формулу (1), будем иметь \(\displaystyle{dx=\frac{1}{3}d(3x)}\), откуда получим:

\[ \int {e^{3x}} dx =\frac{1}{3}\int {e^{3x}} d(3x) =\frac{1}{3}e^{3x}+C \]

Ответ:

\(\displaystyle{\frac{1}{3}\cdot e^{3x}+C}\).

Задача №3

Условие

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

Решение

Для нахождения данного интеграла применим два способа. Первый способ состоит в раскрытии скобок и непосредственном интегрировании. Второй способ заключается в применении метода подстановки.

Первый способ

Так как \(\displaystyle{(3x+2)^2=9x^2+12x+4}\), то получим:

\[ \int (3x+2)^2 dx =\int\left(9x^2+12x+4\right)dx =3x^3 + 6x^2 + 4x + C \]

Второй способ

Скобки раскрывать не будем. Согласно формуле (1) имеем \(\displaystyle{dx=\frac{1}{3}d(3x+2)}\), откуда получим следующее:

\[ \int (3x+2)^2 dx =\frac{1}{3}\int (3x+2)^2 d(3x+2) =\frac{(3x+2)^3}{9}+C \]

На этом решение задачи №3 окончено, однако, полагаю, у читателя может возникнуть пара вопросов, посему попробую сформулировать их и дать ответы.

Вопрос №1

Когда мы решали первым способом, то получили в ответе выражение \(\displaystyle{3x^3+6x^2+4x+C}\). При решении вторым способом ответ стал таким: \(\displaystyle{\frac{(3x+2)^3}{9}+C}\). Однако если раскрыть скобки, то получим следующее:

\[ \frac{(3x+2)^3}{9}+C =\frac{27x^3+54x^2+36x+8}{9}+C =3x^3+6x^2+4x+\frac{8}{9}+C. \]

Ответы не совпадают. Откуда же взялась лишняя дробь \(\displaystyle{\frac{8}{9}}\)?

Ответ на вопрос №1

Если возникает такой вопрос, то вам стоит обратиться к теме, в которой разбирается понятие неопределённого интеграла. Особое внимание уделите вопросам №1 и №2 на указанной странице.

Вопрос №2

Зачем было решать вторым способом, – ведь это лишнее усложнение? Зачем применять некую дополнительную формулу, чтобы найти ответ, который можно получить банальным раскрытием скобок?

Ответ на вопрос №2

Для начала отмечу, что не такое уж это и усложнение. Когда вы разберётесь в методе подстановки, то решения подобных примеров станете выполнять автоматически.

Однако давайте взглянем на этот пример по-иному. Представьте, что нужно вычислить не \(\displaystyle{\int (3x+2)^2 dx}\), а \(\displaystyle{\int (3x+2)^{200} dx}\). При решении вторым способом придётся лишь чуток подправить степени и ответ будет готов:

\[ \int (3x+2)^{200} dx =\frac{1}{3}\cdot \int (3x+2)^{200} d(3x+2) =\frac{(3x+2)^{201}}{603}+C. \]

А теперь представьте, что этот же интеграл \(\displaystyle{\int (3x+2)^{200} dx}\) требуется взять первым способом. Для начала нужно будет раскрыть скобку \(\displaystyle{(3x+2)^{200}}\), получив при этом сумму в двести одно слагаемое! После чего каждое слагаемое ещё и проинтегрировать. Именно поэтому, если смотреть с более общих позиций, второй способ, несмотря на кажущуюся сложность, более практичен.

Задача №4

Условие

Найти \(\displaystyle{\int\sin{2x}\,dx}\).

Решение

Эту задачу используем для иллюстрации того, что нахождение интеграла можно проводить различными путями. Решение проведём тремя различными способами.

Первый способ

Заглянем в таблицу интегралов. Ниболее близка к нашей задаче формула №5 из этой таблицы, т.е. \(\displaystyle{\int \sin {u}\, du=-\cos {u}+C}\). Воспользуемся равенством (1):

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

Второй способ

Для решения вторым способом применим формулу: \(\displaystyle{\sin{2x}=2\sin{x}\cos{x}}\) и учтём, что \(\displaystyle{\sin{x}dx=-d(\cos{x})}\):

\[ \int \sin{2x}\, dx =2\int\sin{x}\cos{x}\,dx =-2\int\cos{x}\, d(\cos{x}) =-\cos^2{x} + C \]

Решая этим способом мы внесли под дифференциал функцию \(\displaystyle{\cos{x}}\).

Третий способ

Для решения третьим способом применим ту же тригонометрическую формулу для \(\displaystyle{\sin{2x}}\), что и для второго способа, однако на сей раз учтём, что \(\displaystyle{d(\sin{x})=\cos{x}dx}\):

\[ \int \sin{2x}\, dx =2\int\sin{x}\cos{x}\,dx =2\int\sin{x}\, d(\sin{x}) =\sin^2{x} + C \]

Задача решена, однако, возможно, у читателя возникнет вопрос, который я сформулирую ниже.

Вопрос №3

Почему разнятся ответы? В задаче №3 ответы отличались лишь на константу \(\displaystyle{\frac{8}{9}}\), но здесь даже внешне полученные результаты не похожи: \(\displaystyle{-\frac{1}{2}\cos{2x}+C}\), \(\displaystyle{-\cos^2{x}+C}\), \(\displaystyle{\sin^2{x}+C}\).

Ответ на вопрос №3

Первообразные \(\displaystyle{-\frac{1}{2}\cos{2x}}\), \(\displaystyle{-\cos^2{x}}\) и \(\displaystyle{\sin^2{x}}\), несмотря на внешнее несходство, отличаются друг от друга на константу. Сведём, например, все первообразные к \(\displaystyle{\sin^2{x}}\):

\[ \begin{aligned} & -\frac{1}{2}\cos{2x} =-\frac{1}{2}\cdot\left(1-2\sin^2{x}\right) =\sin^2{x}-\frac{1}{2}\\ & -\cos^2{x} =-\left(1-\sin^2{x}\right) =\sin^2x-1 \end{aligned} \]

Как видите, небольшое различие на некую константу способно, в принципе, существенно изменить внешний вид ответа, – но от этого ответ не перестанет быть правильным. К чему я веду: если в сборнике задач вы увидите ответ, не совпадающий с вашим, то это вовсе не означает, что ваш ответ неверен. Возможно, что вы просто пришли к ответу иным способом, чем предполагал автор задачи.

Убедиться в правильности ответа поможет проверка, основанная на определении неопределённого интеграла. Например, если \(\displaystyle{\int\sin{2x}\,dx=-\frac{1}{2}\cos 2x+C}\), то должно быть истинным равенство \(\displaystyle{\left(-\frac{1}{2}\cos{2x}+C\right)'=\sin{2x}}\). Проверим истинность этого равенства:

\[ \left(-\frac{1}{2}\cos{2x}+C\right)' =-\frac{1}{2}\cdot(\cos{2x})'+0 =-\frac{1}{2}\cdot(-\sin{2x})\cdot (2x)' =\sin{2x} \]

Проверка пройдена успешно. Аналогично можно провести проверку для иных форм ответа.

Задача №5

Условие

Найти \(\displaystyle{\int\frac{dx}{x^2+1}}\).

Решение

Разумеется, этот интеграл табличный, и ответ можно дать сразу же:

\[ \int\frac{dx}{x^2+1} =\arctg{x} + C \]

Однако попробуем взять данный интеграл иным способом. Разделим на \(\displaystyle{x^2}\) числитель и знаменатель подынтегральной дроби, а затем учтём, что \(\displaystyle{d\left(\frac{1}{x}\right)=-\frac{1}{x^2}dx}\):

\[ \int\frac{dx}{x^2+1} =\int\frac{\frac{1}{x^2}dx}{1+\frac{1}{x^2}} =-\int\frac{d\left(\frac{1}{x}\right)}{\left(\frac{1}{x}\right)^2 + 1} =-\arctg\frac{1}{x} + C \]

Немного порассуждаем. Вполне очевидно, что \(\displaystyle{\int\frac{dx}{x^2+1}=\int\frac{dx}{x^2+1}}\), посему имеем

\[ \arctg{x} + C = -\arctg\frac{1}{x} + C;\; \arctg{x} = -\arctg\frac{1}{x}. \]

Однако полученное равенство не выдерживает банальной проверки. Подставляя, например, \(\displaystyle{x=1}\), получим, что \(\displaystyle{\frac{\pi}{4}=-\frac{\pi}{4}}\). В чём причина такого несоответствия?

Если такой вопрос вызывает у вас затруднения, то прочтите материал темы про понятие неопределённого интеграла, уделяя особое внимание вопросам №1 и №2. Здесь же отметим, что две первообразные различаются на константу, посему для первообразных \(\displaystyle{\arctg{x}}\) и \(\displaystyle{-\arctg\frac{1}{x}}\) будем иметь:

\[ \arctg{x} - \left(-\arctg\frac{1}{x}\right) = C \]
\[ \arctg{x} + \arctg\frac{1}{x} = C \tag{5.1} \]

Чтобы найти константу \(\displaystyle{C}\) подставим в (5.1), например, \(\displaystyle{x=1}\):

\[ \arctg{1} + \arctg\frac{1}{1} = C;\; C=\frac{\pi}{2}. \]

Итак, мы пришли к равенству

\[ \arctg{x} + \arctg\frac{1}{x} = \frac{\pi}{2} \tag{5.2} \]

На первый взгляд это равенство должно быть истинным при всех допустимых значениях \(\displaystyle{x}\). И действительно, подставляя в левую часть полученного равенства любые положительные значения переменной, будем неизменно получать число \(\displaystyle{\frac{\pi}{2}}\). Однако подставляя, например, значение \(\displaystyle{x=-1}\), получим, что равенство нарушается. Отчего так?

Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить, на каких промежутках функции \(\displaystyle{\arctg{x}}\) и \(\displaystyle{-\arctg\frac{1}{x}}\) являются первообразными для функции \(\displaystyle{\frac{1}{1+x^2}}\).

Функция \(\displaystyle{\arctg{x}}\) является первообразной для \(\displaystyle{\frac{1}{1+x^2}}\) на \(\displaystyle{R}\), однако функция \(\displaystyle{-\arctg\frac{1}{x}}\) будет первообразной для \(\displaystyle{\frac{1}{1+x^2}}\) на любом промежутке, не включающем в себя ноль: например, на \(\displaystyle{E_1=(-\infty;0)}\) или \(\displaystyle{E_2=(0;+\infty)}\).

Отсюда следует, что равенство (5.2) верно на промежутке \(\displaystyle{E_2}\), а на промежутке \(\displaystyle{E_1}\) значение \(\displaystyle{C}\) нужно найти отдельно. Подставляя в (5.1), например, \(\displaystyle{x=-1}\), получим:

\[ \arctg{(-1)} + \arctg\frac{1}{-1} = C;\; C=-\frac{\pi}{2}. \]

Следовательно, при \(\displaystyle{x\lt{0}}\) имеем

\[ \arctg{x} + \arctg\frac{1}{x} = -\frac{\pi}{2} \tag{5.3} \]

Как видите, выполняя преобразования с подынтегральным выражением, нужно быть крайне внимательным к промежутку, на котором рассматриваются подынтегральная функция и её первообразная. Кроме того, стоит помнить, что равенства, в обеих частях которых имеются неопределённые интегралы, – это равенства между множествами.