Інтегрування раціональних дробів, тригонометричних та ірраціональних функцій.

До раціональних функцій належать цілі та дробові раціональні функції. Інтегрування цілих раціональних функцій (многочленів) не складне. Розглянемо дробово-раціональну функцію (раціональний дріб), яка являє собою відношення двох многочленів степенів і із коефіцієнтами та відповідно:

(3.1)

Раціональний дріб називають правильним, якщо степінь чисельника менше від степеня знаменника < . У противному разі, а саме при , дріб називають неправильним.

Якщо раціональний дріб (3.1) неправильний, то діленням многочлена на його можна подати у вигляді суми цілої раціональної функції та правильного раціонального дробу, тобто

,

де многочлен - частка від ділення, многочлен - остача від ділення.

Отже, щоб проінтегрувати правильний раціональний дріб , треба:

1) розкласти многочлен на лінійні множники, які відповідають його дійсним кореням, та квадратні множники, які відповідають його комплексним кореням, а саме , де - дійсні числа, - цілі додатні числа, - -кратний дійсний корень многочлена , а квадратний тричлен не має дійсних коренів < ;

2) розкласти дріб на елементарні дроби таким чином:

(3.2)

,

 

де - невизначені коефіцієнти (деякі дійсні числа).

Для їх знаходження найчастіше користуються так званим методом невизначених коефіцієнтів. Потрібно звести праву частину рівності (3.2)до спільного знаменника, який дорівнює многочлену . В результаті дістанемо два рівні дроби з однаковими знаменниками, а їх чисельниками є тотожні многочлени. Порівнюючи далі коефіцієнти при однакових степенях лівої та правої частин тотожності, дістанемо систему лінійних алгебраїчних рівнянь, з якої визначаються шукані невідомі ,…,

.

Існує ще один спосіб знаходження невизначених коефіцієнтів. У рівності тотожніх многочленів чисельників лівого та правого дробу розкладання (3.2)слід надавати змінній довільні числові значення стільки разів, скільки коефіцієнтів потрібно визначити. При цьому обчислення значно спрощуються, якщо замість змінної брати значення коренів лінійних множників ;

3) тепер залишається обчислити як суму інтегралів від знайдених елементарних дробів. При цьому матимемо справу із наступними інтегралами:

I. , .

II. , .

III. , .

IV. ,

де , , в якому , визначається - кратним застосуванням рекурентної формули

.

 

Зразки розв’язування задач

Обчислити інтеграли.

1. .

Дріб є правильним. Розкладемо його на суму найпростіших дробів. Коренями знаменника є дійсні числа та , серед яких немає кратних. Тому чисельниками кожного дробу будуть числа . Отримаємо: . Помноживши обидві частини рівності на спільний знаменник, здобудемо:

, або .

Порівнюючи коефіцієнти при однакових степенях в правій і лівій частинах, отримаємо систему рівнянь:

з якої знайдемо .

Отже, розкладання раціонального дробу на найпростіші має вигляд:

.

Невідомі і можна визначити інакше. Після того, як позбулися знаменника, змінній можна надати стільки часткових значень, скільки коефіцієнтів треба визначити (в даному випадку – два значення). Особливо зручно надавати ті значення, які є дійсними коренями знаменника. Застосуємо цей прийом до нашого дробу. Після звільнення від знаменника отримали вираз .

При : , звідки .

При : , звідки , .

В результаті отримали ті самі значення і , що й при першому способі визначення коефіцієнтів.

Таким чином,

 

Зауваження. Якщо корені знаменника – числа тільки дійсні та різні, спосіб часткових значень є найзручнішим. В інших випадках поєднують обидва способи.

 

Інтегрування функцій, раціонально залежних

Від тригонометричних

Домовимось позначати - раціональну функцію, залежну від , якщо вона утворена з цих тригонометричних функцій та сталих за допомогою раціональних алгебраїчних дій.

1) Інтеграли виду приводяться до інтегралів від раціональної функції нового аргументу підстановкою

, яка називається універсальною.

При цьому використовуються формули:

, , , .

Варто помітити, що недоліком цієї підстановки є той факт, що її використання в багатьох випадках зводить вихідний інтеграл до інтегралу від раціонального дробу з великими степенями. Тому в багатьох випадках користуються іншими підстановками. Наведемо деякі з них:

а) , тобто підінтегральна функція непарна відносно . Використовується підстановка , тоді , ;

б) - підінтегральна функція непарна відносно .

Використовується підстановка , тоді , ;

в) , в якому підінтегральна функція парна відносно і одночасно, раціоналізується за допомогою підстановки . При цьому використовуються формули:

, , , ;

г) . Тут підінтегральна функція залежить раціональним образом тільки від . Слід застосовувати підстановку , тоді , .

2) Інтеграли виду обчислюються за допомогою таких підстановок:

а) якщо - ціле додатне непарне число: ;

б) якщо - ціле додатне непарне число: ;

в) якщо та - цілі додатні парні числа: використовуються формули пониження степеня

, ;

г) якщо та - цілі парні числа, але хоч одне з них від’ємне: ;

д) якщо та - цілі непарні числа і від’ємні: .

 

3) Інтеграли виду , , обчислюються за допомогою тригонометричних формул:

,

,

.

 

Зразки розв’язування задач

Обчислити інтеграли.

Почнемо з прикладів ілюструючих різні випадки пункту 1.

1. .

Застосуємо до інтеграла універсальну підстановку , , .

Тоді

.