Подведение под знак дифференциала.
ЛЕКЦИЯ № 1.
ГЛАВА 1. ИНТЕГРАЛЫ.
Определения и основные методы.
Определение. Если , то
называется первообразной от функции
.
Свойство.Если первообразная, то
(для любого
) тоже является первообразной для той же самой функции
.
Это легко доказать, действительно, =
=
.
Таким образом, первообразных бесконечно много, то есть, если поднять или опустить на любую высоту график , снова будет первообразная.
Определение. Множество всех первообразных от одной и той же функции называется неопределённым интегралом этой функции.
Обозначение: .
Свойство.Если и
две различные первообразные функции
, то
.
Доказывается так: , то есть
.
Свойства линейности.
1.
2.
Таблица основных интегралов.
(
)
;
Объяснение причины возникновения модуля в . Функция
существует только на правой полуоси, тогда как
имеет две ветви, на правой и левой полуоси. Получалось бы противоречие, что производная от несуществующей функции есть на левой полуоси. Функция
является чётным продолжением
на левую полуось, и именно она там является первообразной для
при
.
Методы интегрирования.
Преобразования подынтегральных выражений.
Различные преобразования, например, арифметические (домножить и поделить, прибавить и отнять), выделение полного квадрата, разбиение многочлена на множители, преобразования по тригонометрическим формулам, и т.д. нередко помогают упростить исходное выражение, разбить его на несколько более простых слагаемых, которые уже сводятся к интегралам табличного типа. На практике рассмотрены разнообразные примеры на виды этих преобразований. Рассмотрим один пример.
Пример. Вычислить .
Решение. Применим формулу понижения степени.
=
=
=
=
.
Замена переменной.
Бывают такие случаи, когда функция имеет вид , то есть явно видно, что всё выражение зависит от какого-то однотипного блока, например всё выражается через
или
. Делается замена на
, только нужно не забыть пересчитать
, потому что
, если только замена не является простым линейным сдвигом
.
Пример. Вычислить .
Решение. Сделаем замену , тогда
,
,
.
=
=
=
.
Обратная замена: =
=
.
Более того, область определения исходной функции из-за наличия в ней квадратного корня, точка 0 не входит в область определения, так как корень там и в знаменателе, так что знак модуля в ответе является излишним, ответ можно записать так:
.
Если в функции присутствуют корни разного порядка, например и
, то замена должна происходить через корень порядка НОК (наименьшее общее кратное). Причина в том, что именно при этом все корни переводятся в целые степени от
.
Если , тогда:
,
.
Почему все корни выразятся через целые степени от , видно здесь:
=
,
=
.
Подведение под знак дифференциала.
Если интеграл имеет вид , то есть в функции присутствует какой-то множитель, который достаточно легко подлежит интегрированию, а в остальном множителе есть явная зависимость от его первообразной, то это значит, что подынтегральная функция есть производная от композиции
. Тогда можно
объединить и назвать
, и далее
можно будет повсеместно заменить на
. Рассмотрим, как это действует, на примерах.
Пример. Вычислить .
Решение. =
, фактически здесь уже подготовлена замена
, более того, дифференциал пересчитывать не нужно, потому что под дифференциалом и так сформировано то же самое, что будет называться
. То есть, это частный случай замены переменных, только более простой.
Итак, вид интеграла получается =
.
Сделаем обратную замену, и вот ответ: .
Проверка: =
=
, то есть именно исходную подынтегральную функцию мы и получили.
Интегрирование по частям.
Существует более общий метод, чем подведение под знак дифференциала. Иногда вовсе не требуется, чтобы первообразная от того множителя, который подводится под dx, была как-то связана с остальной частью функции. Запишите формулу:
Такой короткий вид легче выучить наизусть, а теперь запишем более подробно, чтобы понять смысл.
.
Если есть два множителя, и один из них интегрируется довольно легко (он обозначен ) то можно перейти к интегралу, в котором наоборот,
понижено до производной, а
повышено до первообразной. Иногда именно это помогает упростить дальнейшие вычисления.
Доказательство формулы.
Вспомним, что по правилу дифференцирования произведения, которое мы доказывали в прошлом семестре: =
.
Тогда =
.
Тогда и неопределённые интегралы от этих двух функций совпадают:
=
.
Но первообразная от производной, это сама функция и есть, т.е.
.
Поэтому
=
.
Пример.
Решение. Если обозначить ,
, то при переходе к
степенной понизится степень, в данном случае она вообще перейдёт в 1. А вот для второго множителя переходим к первообразной, но там не усложняется, остаётся точно так же как и было,
. Поэтому на следующем шаге интеграл содержит вообще не два множителя, а один!
Составим таблицу:
![]() | ![]() |
![]() | ![]() |
=
, тогда получаем ответ:
.
Пример.Вычислить интеграл: Составим таблицу:
![]() | ![]() |
![]() | ![]() |
После применения формулы, останется интеграл, в котором всего лишь один множитель, а не два, потому что переходит в 1, и один из множителей исчезает.
=
=
.
А есть такие случаи, когда функция состоит не из 2 множителей, а всего из одного, но мы ведь всё равно можем считать, что второй множитель есть, только он равен 1.
Пример. .
![]() | ![]() |
![]() | ![]() |
Здесь производная от подынтегральной функции устроена лучше и проще, чем сама функция, но правда, пришлось допустить некоторое незначительное усложнение типа функции при переходе от к
.
=
=
=
.