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

2 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

22552. Косой изгиб призматического стержня 58 KB
  Например дифференциальное уравнение изгиба стержня является нелинейным и вытекающая из него зависимость прогиба f от нагрузки Р для консольной балки изображенной на рис. 1 а также является нелинейной рис. Однако если прогибы балки невелики f l настолько что dv dz2 1 так как dv dz f l то дифференциальное уравнение изгиба становится линейным как видно из рис. а расчетная схема б линейное и нелинейное сопротивленияРис.
22553. Совместное действие изгиба и растяжения или сжатия 134.5 KB
  Предположим что прогибами балки по сравнению с размерами поперечного сечения можно пренебречь; тогда с достаточной для практики степенью точности можно считать что и после деформации силы Р будут вызывать лишь осевое сжатие балки. Применяя способ сложения действия сил мы можем найти нормальное напряжение в любой точке каждого поперечного сечения балки как алгебраическую сумму напряжений вызванных силами Р и нагрузкой q. Сжимающие напряжения от сил Р равномерно распределены по площади F поперечного сечения и одинаковы для всех...
22554. Ядро сечения при внецентренном сжатии 75.5 KB
  Ядро сечения при внецентренном сжатии При конструировании стержней из материалов плохо сопротивляющихся растяжению бетон весьма желательно добиться того чтобы все сечение работало лишь на сжатие. Этого можно достигнуть не давая точке приложения силы Р слишком далеко отходить от центра тяжести сечения ограничивая величину эксцентриситета. Конструктору желательно заранее знать какой эксцентриситет при выбранном типе сечения можно допустить не рискуя вызвать в сечениях стержня напряжений разных знаков. Здесь вводится понятие о так...
22555. Совместные действия изгиба и кручения призматического стержня 55 KB
  Совместные действия изгиба и кручения призматического стержня Исследуем этот вид деформации стержня на примере расчета вала кругового кольцевого поперечного сечения на совместное действие изгиба и кручения рис. Строим эпюры изгибающих моментов My и My. У кругового и кольцевого поперечного сечений все центральные оси главные поэтому косого изгиба у вала вообще не может быть следовательно нет смысла в каждом сечении иметь два изгибающих момента Mx и My а целесообразно их заменить результирующим суммарным изгибающим моментом рис....
22556. Расчет балок переменного сечения 76.5 KB
  Так как изгибающие моменты обычно меняются по длине балки то подбирая ее сечение по наибольшему изгибающему моменту мы получаем излишний запас материала во всех сечениях балки кроме того которому соответствует . Для экономии материала а также для увеличения в нужных случаях гибкости балок применяют балки равного сопротивления. Под этим названием подразумевают балки у которых во всех сечениях наибольшее нормальное напряжение одинаково и должно быть равно допускаемому. Условие определяющее форму такой балки имеет вид и Здесь Мх и...
22557. Расчет балки на упругом основании 78.5 KB
  Расчет балки на упругом основании.1 на упругое основание оказывающее в каждой точке на балку реакцию пропорциональную у прогибу балки в этой точке. Расчетная схема балки на упругом основании. Будем считать что основание оказывает реакцию при прогибах балки как вниз так и вверх.
22558. Энергетические методы расчета деформаций 75.5 KB
  Он основан на применении закона сохранения энергии. При статическом растяжении или сжатии упругого стержня происходит превращение потенциальной энергии из одного вида в другой; часть потенциальной энергии действующего на стержень груза полностью переходит в потенциальную энергию деформации стержня. Это явление имеет место при любом виде деформации всякой упругой конструкции при статической нагрузке; такую конструкцию можно рассматривать как своеобразную машину преобразующую один вид потенциальной энергии в другой. При этих условиях...
22559. Теорема Кастильяно 133 KB
  Будем решать эту задачу в несколько приемов; сначала рассмотрим более простой случай Рис. Мы представим себе что для перехода к смежному деформированному состоянию к силе сделана бесконечно малая добавка Рис. Предположим что мы сначала нагрузили нашу балку грузом ; балка очень немного прогнется Рис. Рис.
22560. Теоремы о взаимности работ и Максвелла — Мора 150 KB
  Если к балке нагруженной силой приложить затем статически силу в сечении 2 то к прогибу точки приложения силы от этой же силы прибавится Рис.1 прогиб от силы равный ; первый значок у буквы у указывает точку для которой вычисляется прогиб; второй обозначает силу вызывающую этот прогиб. Расчетная схема к теореме о взаимности работ Полная работа внешних сил составится из трех частей: работы силы на вызванном ею прогибе т. работы силы на вызванном ею прогибе ее точки приложения т.