Вопрос 15 Простейшие рациональные и их интегрирование

Как мы увидим ниже, далеко не всякая элементарная функция имеет интеграл, выражающийся в элементарных функциях. Поэтому очень важно выделить такие классы функций, интегралы которых выражаются через элементарные функции. Простейшим из этих классов является класс рациональных функций.

Всякую рациональную функцию можно представить в виде рациональной дроби, т. е. в виде отношения двух многочленов:

Не ограничивая общности рассуждения, будем предполагать, что эти многочлены не имеют общих корней. Если степень числителя ниже степени знаменателя, то дробь называется правильной, в противном случае дробь называется неправильной. Если дробь неправильная, то, разделив числитель на знаменатель (по правилу деления многочленов), можно представить данную дробь в виде суммы многочлена и некоторой правильной дроби:

;

здесь М(х)-многочлен, а - правильная дробь.

Пример. Пусть дана неправильная рациональная дробь

Разделив числитель на знаменатель (по правилу деления многочленов), получим

.

Так как интегрирование многочленов не представляет затруднений, то основная трудность при интегрировании рациональных дробей заключается в интегрировании правильных рациональных дробей.

Определение. Правильные рациональные дроби вида

(1).

(2). (k-целое положительное число

(3) (корни знаменателя комплексные, т.е. ).

(4) (k-целое положительное число ;корни знаменателя комплексные), называются простейшими дробями (1),(2),(3) и (4) типов.

Интегрирование простейших дробей типа (1),(2) и (3) не составляет большой трудности, поэтому мы приведем их интегрирование без каких-либо дополнительных пояснений:

(1)

(2)

(3)

=

Более сложных вычислений требует интегрирование простейших дробей (4) типа. Пусть нам дан интеграл такого типа:

(4)

Произведем преобразования:

 

Первый интеграл берется подстановкой :

Второй интеграл- обозначим его через I_k-запишем в виде

,

полагая

 

(по предположению корни знаменателя комплексные, а следовательно, ). Далее поступаем следующим образом:

.

Преобразуем интеграл:

 

Интегрируя по частям,будем иметь

.

Подставляя это выражение в равенство (1), получим

=

= .

В правой части содержится интеграл того же типа, что , но показатель степени знаменателя подынтегральной функции на единицу ниже ;таким образом, мы выразили через Продолжая идти тем же путем, дойдем до известного интеграла:

Подставляя затем всюду вместо t и m их значения, получим выражение интеграла (4) через х и заданные числа А, B, p,q.

 

 

Вопрос 16 Разложение правильной дроби на простейшие
Определение 1.

Целой функцией называется многочлен (полином).

Определение 2.

Дробно-рациональной функцией называется дробь, числителем и знаменателем которой являются многочлены.

Определение 3.

Дробно-рациональная функция называется неправильной рациональной дробью, если степень числителя не меньше степени знаменателя(n m).

Определение 4. Дробно-рациональная функция называется правильной, если степень числителя меньше степени знаменателя.

Теорема:
Любую неправильную рациональную дробь можно представить в виде суммы целой функции и правильной рациональной дроби.

Постановка задачи интегрирования дробно-рациональной функции.

- задача свелась к интегрированию правильной рациональной дроби.

Простейшие рациональные дроби.
Простейшими рациональными дробями являются рациональные дроби:

1)

2)

3)

Выделяем полный квадрат и делаем замену переменной:

Тогда интеграл примет вид:

Делаем обратную замену переменной и получаем окончательный ответ.
Разложение правильной рациональной дроби на сумму простейших дробей. Дана правильная дробь:

Теорема 1. Если знаменатель Q(x) имеет любые корни, то правильная дробь разлагается на сумму простейших дробей 1 и 2 типа. (1) Интегрирование правильной рациональной дроби.

сумме интегралов от простейших дробей

Вопрос 17 Интегрирование рациональных дробей
Пусть требуется вычислить интеграл от рациональной дроби Если данная дробь неправильная, то мы представляем ее в виде суммы многочлена M(x) и правильной рациональной дроби . Последнюю же представляем по формуле в виде суммы простейших дробей. Таким образом, интегрирование всякой рациональной дроби сводится к интегрированию многочлена и нескольких простейших дробей.

Вид простейших дробей определяется корнями знаменателя f(x). Здесь возможны следующие случаи.

1.Случай.

Корни знаменателя действительны и различны, т. е.

F(x)=(x-a)(x-b)…(x-d).

В этом случае дробь разлагается на простейшие дроби 1типа:

и тогда

2. Случай.

Корни знаменателя действительные, причем некоторые из них кратные:

В этом случае дробь разлагается на простейшие дроби 1и 2 типов.

Пример 1.

3. Случай.

Среди корней знаменателя есть комплексные неповторяющиеся(т.е. различные):

В этом случае дробь разлагается на простейшие дроби 1,2 и 3 типов.

Пример 2.Требуется вычислить интеграл

 

.Разложим подынтегральную дробь на простейшие:

 

Следовательно,

.

Полагая х=1, получим 1=2С, С= Ѕ; полагая х=0, получим 0= -B+C, B=1/2.

Приравнивая коэффициенты при , получим 0=А+С, откуда А= - Ѕ. Таким образом,

 

4. Случай.

Среди корней знаменателя есть комплексные кратные:

В этом случае разложение дроби будет содержать и простейшие дроби 4 типа.

Пример 3. Требуется вычислить интеграл

.

Решение. Разлагаем дробь на простейшие:

откуда

Комбинируя указанные выше методы определения коэффициентов, находим А=1, В= - 1, С=0, D=0, Е=1.

Таким образом, получаем

Из всего изложенного следует, что интеграл от любой рациональной функции может быть выражен через элементарные функции в конечном виде, а именно:

1) через логарифмы- в случаях простейших дробей 1 типа;

2) через рациональные функции- в случае простейших дробей 2 типа

3) через логарифмы и арктангенсы- в случае простейших дробей 3 типа

4) через рациональные функции и арктангенсы- в случае простейших дробей 4 типа.

Вопрос 18 Универсальная тригонометрическая подстановка.
Рассмотрим интегрирование выражений полностью зависящих от тригонометрических функций, над которыми выполняются лишь арифметические операции. Такие выражения называются рациональными функциями от тригонометрических функций и в данном случае обозначаются . Например,

, , .

В то же время функция рациональной не является.

Теорема. Интеграл вида с помощью подстановки преобразуется в интеграл от рациональной дроби.Для доказательства выразим , и через :

 

В результате проведенных преобразований , и превратились в рациональные дроби от . Подставляя их в исходный интеграл, получаем:

В данном выражении рациональные дроби подставлены в рациональную функцию. Так как над ними выполняются лишь арифметические операции, то в результате получается также рациональная дробь. Итак, рациональную функцию от тригонометрических функций можно проинтегрировать, превратив ее в рациональную дробь.

Подстановка

 

, , ,

 

называется универсальной тригонометрической подстановкой.
Тождества имеют смысл, только когда существуют обе части (то есть при )

 

Интегралы вида

находятся с помощью тригонометрических формул

 

20.Вычисление интегралов вида , где m и n? целые числа.

В этом случае полезно пользоваться следующими правилами:

А) если m - нечетное положительное число, то вносим под знак дифференциала или, (что то же самое) делаем замену переменной . При этом число n может быть рациональной дробью. Аналогично, если n - нечетное положительное число, то вносим под знак дифференциала или применяем подстановку . Сравни с 1. Смотри

 

Б) если оба показателя m и n - четные положительные числа, то подынтегральную функцию преобразуют с помощью формул понижения степени: , и .

 

В) если число m+n является четным отрицательным числом, то можно сделать замену переменной или . Смотри пример 6.

 

Г) если степени m и n отрицательны, то часто бывает полезным уменьшить степени с помощью основного тригонометрического тождества. Смотрипример 7.

 

Примечание. В общем случае интегралы вида , где m и n - целые числа, вычисляются с помощью рекуррентных формул, которые выводятся путем интегрирования по частям.