77384

Неопределённый интеграл

Реферат

Математика и математический анализ

Понятие первообразной и неопределенного интеграла. Свойства неопределенного интеграла. Таблица основных неопределенных интегралов.

Русский

2015-02-02

656.5 KB

1 чел.

PAGE  18

НеоИнт

Неопределённый интеграл.

Оглавление.

1. Понятие первообразной и неопределенного интеграла.

2. Свойства неопределенного интеграла.

3. Таблица основных неопределенных интегралов.

4. Метод интегрирования подстановкой.

5. Интегралы группы четырёх.

6. Интегрирование по частям.

7. Интегрирование рациональных дробей.

8. Интегрирование тригонометрических выражений.

9. Интегрирование иррациональных выражений.

1. Понятие первообразной и неопределенного интеграла.

В дифференциальном исчислении мы решали следующую основную задачу: по данной функции находили ее производную.

В то же время многочисленные задачи науки и техники приводят к обратной задаче: для данной функции    найти такую функцию  ,  производная которой равнялась бы заданной функции  , т.е.

Функция  называется первообразной функцией для функции  на интервале , если  дифференцируема на интервале  и .

Аналогично можно определить понятие первообразной и на отрезке , но в точках  и  надо рассматривать односторонние производные.

Теорема. Если  первообразная для функции  на , то  - также первообразная, где   - любое постоянное число.

Доказательство. Имеем .

Определение. Произвольная первообразная для  на  называется неопределенным интегралом от функции  и обозначается символом

Знак называется интегралом,   - подынтегральное выражение,  - подынтегральная функция.

Таким образом, если   одна из первообразных для , то

Операцию нахождения неопределенного интеграла называют интегрированием функции . Она противоположна операции дифференцирования.

Найти  ,  если .  ;  ;   и т.д.  В общем случае  .                    Или

  . Или     

Функция    имеет бесчисленное множество первообразных.

2. Свойства неопределённых интегралов.

1.

2.

3.

4.

    Доказательство.  

3. Таблица основных неопределенных интегралов.

1.                 

2.   

3. ;           

4.

5.

6.       

7.             

Знание следующих интегралов облегчит решение многих задач.

8.        

      

9.                

10.                      

Отметим, что операция дифференцирования элементарных функций снова приводит к элементарным функциям. Операция интегрирования уже может привести к неэлементарным функциям, т.е. функциям, которые не выражаются через конечное число арифметических операций и суперпозицией элементарных функций.

Например, доказано, что следующие интегралы не интегрируются в элементарных функциях.

 -  интеграл Пуассона.

 -  интегралы  Френеля.

 -  интегральный логарифм.

 -  интегральный косинус.

 -  интегральный синус.

4. Метод интегрирования подстановкой

Основную роль в интегральном исчислении играет формула замены переменных (или подстановки)

Например.

 Пример . .

Такого табличного интеграла нет. Сделаем замену  -  . Отсюда

Перейдем от дифференциала   к  дифференциалу  ,  для чего возьмем дифференциал от левой и правой частей формулы замены. Получим

.

Подставим в исходный интеграл:

И далее

Так как           

Но  ,  поэтому

 Пример .           

                         

Пример 3.  

Пример 4.

Пример 5. 

5. Интегралы группы четырёх.

                

1) Разложим знаменатель, квадратный трехчлен:

 

  1.  Введем новую переменную
  2.  Тогда знаменатель будет иметь вид:

     

Рассмотрим вначале случай, когда  . При этом  . Следовательно

Или, возвращаясь к старым переменным

Преобразовывая, получим:

Теперь рассмотрим случай, когда   . Квадратный трехчлен  представим в виде:

Следовательно

Опять возвращаясь к старым переменным, получим

Преобразовывая, найдем:

Рассмотрим теперь второй интеграл.

Или

Рассмотрим теперь третий интеграл. Используя разложение квадратного трехчлена, и, заменяя переменную  ,   запишем:

Полученное выражение представим в виде двух интегралов

В дифференциал первого интеграла внесем множитель  

Возьмем интегралы

Вернемся к старым переменным

Рассмотрим теперь последний интеграл  . Аналогично, Используя разложение квадратного трехчлена, и, заменяя переменную  ,   запишем

Полученное выражение также представим в виде двух интегралов

В первом интеграле под знак дифференциала введем , взяв второй интеграл и возвращаясь в нем к переменной  , получим

Взяв первый интеграл, получим окончательно

6. Интегрирование по частям.

Известно, что дифференциал от произведения    равен:

Проинтегрируем полученное равенство

Интеграл от дифференциала некоторой функции равен самой функции:

Меняя местами слагаемые, получим:

Это и есть формула интегрирования по частям.

Пример.  Вычислить  интеграл  .

Решение.   Положим  ;  .

Тогда

7. Интегрирование рациональных дробей.

Дробью называется выражение вида:

Дробь    - правильная, если .  Дробь  - не правильная, если .

Для того, чтобы проинтегрировать дробь надо разложить ее на простейшие дроби.

Простейшие дроби:

1.  

2.      

3.      

4.     

Интеграл от первой дроби  -  табличный интеграл:

1.  

Интеграл от второй дроби  -  также табличный:

2.  

3.  Интеграл от третьей дроби  см. интеграл группы четырёх.

4.  Интеграл от четвертой дроби также см. интеграл группы четырёх.

Рассмотрим теперь дробь более общего вида.

Теорема.  Пусть      - правильная дробь, причем . Тогда эту дробь можно представить в виде:

Доказательство

Далее, выберем величину   равной: .   Тогда получим, что

И если  , то

То есть   является корнем многочлена . В этом случае многочлен   можно представить в виде:

и, следовательно, далее запишем:

  что и тр. док.

Следствие. Используя эту логику и дальше, можно записать:

Теорема.

Пусть   - правильная дробь, причем . Тогда можно записать:

Следствие.

Таким образом,  дроби общего вида сводятся к простейшим дробям.

8. Интегрирование тригонометрических выражений.

Для нахождения интегралов вида  ,  где   -  рациональная функция, используют универсальную тригонометрическую подстановку   .

Тогда    

.

То есть подынтегральная функция приобретает вид:

Например, возьмем интеграл  . Для этого введем новую переменную  . Тогда, как было показано выше    и  . Подставим эти значения в искомый интеграл:

Пример 6.  Взять интеграл  .

Введем аналогичную замену переменных:

Частные случаи.  

1. Интегралы вида

 .

При этом делаем замену   .  Тогда

2.  Интегралы вида           ,

где  и    натуральные числа.

Данные интегралы находятся с помощью тригонометрических формул  ,  , ,  если   и    – четные.

Если хотя бы одно из чисел   и   -  нечетное, то от нечетной степени отделяется множитель и вводится новая переменная:

При этом, если интеграл имеет вид   ,      

то замена переменных:  .

Если интеграл имеет вид        

то замена переменных:   .

Пример 7.  Взять интеграл  . Замена переменных  . Тогда

.

Наш интеграл примет вид:

Пример 8.  Взять интеграл  .

Преобразуем подынтегральное выражение:

Косинус внесем под знак дифференциала, подынтегральную функцию преобразуем к следующему виду:

Возведем в куб подынтегральную функцию:

Сделаем замену переменных   и проинтегрируем:

Вернемся к старой переменной:

Пример 9.  Взять интеграл  .

Преобразуем подынтегральное выражение:

Возведем в куб:

Используем правило: интеграл от суммы равен сумме интегралов.

Сделаем преобразования под интегралами.

Возьмем уже "готовые" интегралы, а остальные преобразуем дальше

Сделаем дальнейшие преобразования

Взяв все интегралы, получим:

Перегруппировывая, получим:

Пример 10.  Взять интеграл   .

Преобразуем подынтегральное выражение

В первом интеграле учтем, что  

Во втором интеграле учтем, что

Интеграл от суммы равен сумме интегралов

Учтем еще раз, что  

Интеграл от суммы равен сумме интегралов

Далее

Окончательно

.

Используя известное тригонометрическое тождество

можно упростить взятие некоторых интегралов.

Например :   

9. Интегрирование иррациональных выражений.

1.   Интегралы  вида

Пусть   – общий знаменатель .  

Тогда эффективна замена переменных:

2.   Интегралы вида 

Пусть   – общий знаменатель .  

Тогда эффективна замена    .

Пример 11.  Взять интеграл         

Сделаем замены:

В результате чего интеграл преобразуется к виду

Подынтегральное выражение разложим на простейшие дроби

Найдем выражение для коэффициентов  , для чего правую часть полученного выражения приведем к общему знаменателю:

Дроби равны, знаменатели равны, значит должны быть равны и числители

Сгруппируем правую часть по степеням  :

Полученное уравнение эквивалентно системе уравнений

Решая эту систему, получим:

Следовательно:

Интегрируя, получим:

Возвращаясь к старым переменным, получим:

Преобразовывая, получим окончательно:

Пример 12.  Взять интеграл  .

Сделаем замену:  .  

Выразим    через  :

Найдем дифференциал  :

 

В результате чего наш интеграл примет вид:

Выполним преобразования:

Подынтегральное выражение представим в виде суммы элементарных дробей:

Аналогично предыдущему примеру, запишем выражение для определения коэффициентов  

Возведем в квадрат скобки:

Перемножим скобки 

Приведем подобные члены  

Перегруппируем по степеням    

Для определения коэффициентов    получили систему

Упростим третье уравнение

Преобразуем полученную систему

Решая ее, получим выражения для коэффициентов  

Подставим найденные значения коэффициентов   в наше уравнение

Проинтегрировав, получим:

Возвращаемся к "старой"  переменной  

Упростим получившееся выражение

.

Интегрирование рациональных функций, т.е интегрирование выражений вида:

В зависимости от конкретного вида выражения, существуют разные способы интегрирования.

1. Выделение полного квадрата     

2. Тригонометрические замены.

FVB


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28554. Распределение ключей. Использование базовых ключей 13.15 KB
  Он заключается в доставке абоненту сети связи не полного комплекта ключей для связи со всеми другими абонентами а некоторой универсальной заготовки уникальной для каждого абонента по которой он может вычислить необходимый ему ключ. Пусть в сети связи действуют N абонентов занумеруем их от 0 до N1 и поставим каждому абоненту уникальный открытый идентификатор Yi из некоторого множества Y открытый в смысле общеизвестный. Генерация ключей для абонентов сети связи заключается в выработке N секретных ключей Xi из некоторого множества X....
28555. Использование маркантов или производных ключей 15.1 KB
  Заключается в использовании для шифрования не непосредственно ключей хранимых у абонентов а некоторых производных ключей из них получаемых. Заключается в использовании вместо ключа K двоичного вектора S полученного побитным суммированием K и случайного двоичного вектора M называемого маркантом при этом маркант передается в открытом виде отправителем получателю. Действительно использование одного и того же ключа но разных маркантов не снижает стойкости шифра. Однако этот метод обладает одним недостатком восстановление одного...
28557. Несимметричные системы шифрования и их построение 23.7 KB
  Эти системы характеризуются тем что для шифрования и для расшифрования используются разные ключи связанные между собой некоторой зависимостью. Один из ключей например ключ шифрования может быть сделан общедоступным и в этом случае проблема получения общего секретного ключа для связи отпадает. Поскольку в большинстве случаев один ключ из пары делается общедоступным такие системы получили также название криптосистем с открытым ключом. Первый ключ не является секретным и может быть опубликован для использования всеми пользователями...
28558. Новое направление в криптографии, постулаты У. Диффи и М. Хеллмана 23.14 KB
  Это означает что если А является примитивным корнем простого числа Q тогда числа A mod Q A2 mod AQ1 mod Q являются различными и состоят из целых от 1 до Q – 1 с некоторыми перестановками. В этом случае для любого целого B Q и примитивного корня A простого числа Q можно найти единственную экспоненту Х такую что Y =AX mod Q где 0≤ X ≤ Q1. Экспонента X называется дискретным логарифмом или индексом Y по основанию A mod Q. Общеизвестные элементы Q Простое число A A Q и A является примитивным корнем Q Создание...
28559. Описание системы с открытыми ключами 14.42 KB
  Альтернативным вариантом может быть обработка регистрации системой имеющей древовидную структуру: ЦО выдает сертификаты местным представителям которые в дальнейшем действуют в качестве посредников в процессе регистрации пользователя на более низких уровнях иерархии. Сертификаты могут распространяться ЦО пользователями или использоваться в иерархической системе. Поэтому если сертификаты хранятся у пользователей а не выдаются каждый раз ЦО при их использовании ЦО должен время от времени публиковать списки аннулированных сертификатов....
28560. Электро́нная по́дпись (ЭП) 17.3 KB
  Кроме этого использование электронной подписи позволяет осуществить: Контроль целостности передаваемого документа: при любом случайном или преднамеренном изменении документа подпись станет недействительной потому что вычислена она на основании исходного состояния документа и соответствует лишь ему. Защиту от изменений подделки документа: гарантия выявления подделки при контроле целостности делает подделывание нецелесообразным в большинстве случаев. Доказательное подтверждение авторства документа: Так как создать корректную подпись...
28561. Открытое шифрование и электронная подпись 14.08 KB
  Пользователь А вырабатывает цифровую подпись предназначенного для пользователя В сообщения М с помощью следующего преобразования: SIGm=EebnbEdanaM При этом он использует: свое секретное преобразование; открытое преобразование Eebnb пользователя В. Edana Затем он передает пользователю В пару{MSIGM}. Пользователь В может верифицировать это подписанное сообщение сначала при помощи своего секретного преобразованияс целью получения Edbnb EdanaM=EdbnbSIGM=EdbnbEebnbEdanaM и затем открытого Eeana пользователя А для...
28562. Основные результаты статьи Диффи и Хеллмана 24.93 KB
  Первая публикация данного алгоритма открытого ключа появилась в статье Диффи и Хеллмана в которой вводились основные понятия криптографии с открытым ключом и в общих чертах упоминался алгоритм обмена ключа ДиффиХеллмана. Сам алгоритм ДиффиХеллмана может применяться только для обмена ключами. Безопасность обмена ключа в алгоритме ДиффиХеллмана вытекает из того факта что хотя относительно легко вычислить экспоненты по модулю простого числа очень трудно вычислить дискретные логарифмы.