Подготовка к экзамену «Элементы высшей математики» · Вопрос №11 (вторая часть) · 50 задач
Пусть \(u = u(x)\) и \(v = v(x)\) — дифференцируемые функции. По правилу дифференцирования произведения:
\[ (u \cdot v)' = u'v + uv'. \]Проинтегрируем обе части равенства по \(x\):
\[ \int (uv)'\,dx = \int u'v\,dx + \int uv'\,dx, \qquad \text{то есть} \qquad uv = \int v\,du + \int u\,dv. \]Выразив отсюда \(\displaystyle\int u\,dv\), получаем формулу интегрирования по частям:
Смысл формулы: интеграл \(\int u\,dv\) сводится к интегралу \(\int v\,du\), который должен оказаться проще исходного. Поэтому весь метод состоит в удачном выборе того, что взять за \(u\) (эта функция будет дифференцироваться), а что — за \(dv\) (эта часть будет интегрироваться).
Тип I. Интегралы вида \(\displaystyle\int P(x)\,e^{ax}\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\sin ax\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\cos ax\,dx\), где \(P(x)\) — многочлен. За \(u\) берём многочлен: \(u = P(x)\), тогда при дифференцировании его степень понижается. Формула применяется столько раз, какова степень многочлена.
Тип II. Интегралы вида \(\displaystyle\int P(x)\ln x\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\arcsin x\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\,\mathrm{arctg}\,x\,dx\) и т. п. За \(u\) берём логарифм или обратную тригонометрическую функцию (её первообразная в таблице отсутствует, зато производная — алгебраическая функция): \(u = \ln x\), \(u = \arcsin x\), \(u = \mathrm{arctg}\,x\); за \(dv\) — всё остальное: \(dv = P(x)\,dx\).
Тип III. Циклические интегралы вида \(\displaystyle\int e^{ax}\cos bx\,dx\), \(\displaystyle\int e^{ax}\sin bx\,dx\), а также \(\displaystyle\int \sin(\ln x)\,dx\), \(\displaystyle\int \cos(\ln x)\,dx\). Формула применяется дважды (оба раза с одинаковым выбором \(u\)!), после чего в правой части снова появляется исходный интеграл \(J\). Получается линейное уравнение относительно \(J\), из которого он и находится.
| Тип интеграла | Что взять за \(u\) | Что взять за \(dv\) | Сколько раз применять |
|---|---|---|---|
| \(\displaystyle\int P(x)\,e^{ax}dx\), \(\displaystyle\int P(x)\sin ax\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\cos ax\,dx\) | \(u = P(x)\) — многочлен | \(dv = e^{ax}dx\), \(\sin ax\,dx\), \(\cos ax\,dx\) | столько раз, какова степень \(P(x)\) |
| \(\displaystyle\int P(x)\ln x\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\arcsin x\,dx\), \(\displaystyle\int P(x)\,\mathrm{arctg}\,x\,dx\) | \(u = \ln x,\ \arcsin x,\ \mathrm{arctg}\,x\) | \(dv = P(x)\,dx\) | обычно один раз |
| \(\displaystyle\int e^{ax}\cos bx\,dx\), \(\displaystyle\int e^{ax}\sin bx\,dx\) | любой из множителей (но оба раза одинаково) | оставшийся множитель с \(dx\) | дважды + уравнение относительно интеграла |
Мнемоническое правило: за \(u\) берётся функция, стоящая раньше в списке «Логарифмическая — Обратная тригонометрическая — Степенная — Тригонометрическая — Показательная».
Пример 1 (тип I). Вычислить \(\displaystyle\int x\,e^{2x}\,dx\).
Шаг 1. Многочлен берём за \(u\):
\[ u = x, \quad dv = e^{2x}dx \quad\Longrightarrow\quad du = dx, \quad v = \int e^{2x}dx = \tfrac{1}{2}e^{2x}. \]Шаг 2. Применяем формулу \(\int u\,dv = uv - \int v\,du\):
\[ \int x\,e^{2x}dx = x\cdot\tfrac{1}{2}e^{2x} - \int \tfrac{1}{2}e^{2x}\,dx = \tfrac{x}{2}e^{2x} - \tfrac{1}{2}\cdot\tfrac{1}{2}e^{2x} + C. \]Ответ: \(\displaystyle\int x\,e^{2x}dx = \frac{e^{2x}}{4}\,(2x-1) + C.\)
Пример 2 (тип II). Вычислить \(\displaystyle\int x^{2}\ln x\,dx\).
Шаг 1. Логарифм берём за \(u\) (его удобно дифференцировать):
\[ u = \ln x, \quad dv = x^{2}dx \quad\Longrightarrow\quad du = \frac{dx}{x}, \quad v = \frac{x^{3}}{3}. \]Шаг 2. По формуле:
\[ \int x^{2}\ln x\,dx = \frac{x^{3}}{3}\ln x - \int \frac{x^{3}}{3}\cdot\frac{dx}{x} = \frac{x^{3}}{3}\ln x - \frac{1}{3}\int x^{2}dx. \]Шаг 3. Оставшийся интеграл — табличный:
\[ \frac{1}{3}\int x^{2}dx = \frac{x^{3}}{9}. \]Ответ: \(\displaystyle\int x^{2}\ln x\,dx = \frac{x^{3}}{3}\ln x - \frac{x^{3}}{9} + C = \frac{x^{3}}{9}\,(3\ln x - 1) + C.\)
Пример 3 (тип III, циклический). Вычислить \(J = \displaystyle\int e^{x}\sin x\,dx\).
Шаг 1. Первое применение формулы:
\[ u = e^{x}, \quad dv = \sin x\,dx \quad\Longrightarrow\quad du = e^{x}dx, \quad v = -\cos x; \] \[ J = -e^{x}\cos x + \int e^{x}\cos x\,dx. \]Шаг 2. Второе применение — к новому интегралу, с тем же выбором \(u = e^{x}\):
\[ u = e^{x}, \quad dv = \cos x\,dx \quad\Longrightarrow\quad du = e^{x}dx, \quad v = \sin x; \] \[ \int e^{x}\cos x\,dx = e^{x}\sin x - \int e^{x}\sin x\,dx = e^{x}\sin x - J. \]Шаг 3. Подставляем во вторую строку шага 1 — исходный интеграл «зациклился»:
\[ J = -e^{x}\cos x + e^{x}\sin x - J \quad\Longrightarrow\quad 2J = e^{x}(\sin x - \cos x). \]Ответ: \(\displaystyle\int e^{x}\sin x\,dx = \frac{e^{x}(\sin x - \cos x)}{2} + C.\)