Подготовка к экзамену «Элементы высшей математики» · Вопрос №14 · 50 задач
Если подынтегральная функция содержит иррациональность вида \(\sqrt[n]{ax+b}\) (и, возможно, саму переменную \(x\) в целых степенях), то интеграл сводится к интегралу от рациональной функции заменой переменной:
После такой замены корень исчезает: \(\sqrt[n]{ax+b}=t\), и под знаком интеграла остаётся рациональная функция от \(t\) (многочлен или дробь), которая интегрируется стандартными приёмами. В конце обязательно выполняется обратная замена \(t=\sqrt[n]{ax+b}\).
Если в подынтегральной функции встречаются корни разных степеней из одного и того же линейного выражения, например \(\sqrt{x}\) и \(\sqrt[3]{x}\), то делают одну общую замену:
Например, для \(\sqrt{x}=x^{1/2}\) и \(\sqrt[3]{x}=x^{1/3}\) берём \(k=\text{НОК}(2,3)=6\), то есть \(t=\sqrt[6]{x}\); тогда \(\sqrt{x}=t^{3}\), \(\sqrt[3]{x}=t^{2}\), и все корни выражаются через целые степени \(t\).
Интегралы, содержащие корень из дробно-линейного выражения \(\sqrt[n]{\dfrac{ax+b}{cx+d}}\) (при \(ad-bc\neq 0\)), рационализируются заменой:
после чего \(x\) и \(dx\) выражаются через \(t\) рационально, и интеграл сводится к интегралу от рациональной дроби.
Следующие интегралы считаются табличными и применяются без вывода (\(a>0\)):
Интегралы вида \(\displaystyle\int\frac{dx}{\sqrt{x^{2}+px+q}}\) и \(\displaystyle\int\frac{dx}{\sqrt{q+px-x^{2}}}\) сводятся к табличным выделением полного квадрата в квадратном трёхчлене:
затем выполняется замена \(u=x+\dfrac{p}{2}\), \(du=dx\), и интеграл принимает один из табличных видов пункта 4 (с \(u\) вместо \(x\)).
Если в числителе стоит линейная функция, её представляют в виде суммы: часть, пропорциональная производной трёхчлена \((2x+p)\), интегрируется по формуле \(\int \frac{du}{\ \sqrt{u}\ }=2\sqrt{u}+C\) (замена \(u\) — трёхчлен), а оставшаяся константа даёт табличный интеграл.
Если корень из квадратичного выражения не удаётся устранить перечисленными способами (например, он стоит в числителе или умножается на степени \(x\)), применяют тригонометрические подстановки:
| Вид иррациональности | Подстановка | Что получается |
|---|---|---|
| \(\sqrt{a^{2}-x^{2}}\) | \(x=a\sin t,\quad dx=a\cos t\,dt\) | \(\sqrt{a^{2}-x^{2}}=a\cos t\) |
| \(\sqrt{a^{2}+x^{2}}\) | \(x=a\,\mathrm{tg}\,t,\quad dx=\dfrac{a\,dt}{\cos^{2}t}\) | \(\sqrt{a^{2}+x^{2}}=\dfrac{a}{\cos t}\) |
| \(\sqrt{x^{2}-a^{2}}\) | \(x=\dfrac{a}{\cos t},\quad dx=\dfrac{a\sin t\,dt}{\cos^{2}t}\) | \(\sqrt{x^{2}-a^{2}}=a\,\mathrm{tg}\,t\) |
После подстановки интеграл сводится к интегралу от тригонометрической функции; в конце выполняется обратный переход к \(x\) (обычно с помощью прямоугольного треугольника или формул \(\sin t=\frac{x}{a}\), \(\mathrm{tg}\,t=\frac{x}{a}\) и т. д.).
Пример 1. Вычислить \(\displaystyle\int\frac{x\,dx}{\sqrt{x+1}}\).
Шаг 1. Под интегралом корень из линейного выражения — делаем замену \(t=\sqrt{x+1}\). Тогда \(t^{2}=x+1\), откуда \(x=t^{2}-1\) и \(dx=2t\,dt\).
Шаг 2. Подставляем:
\[ \int\frac{x\,dx}{\sqrt{x+1}}=\int\frac{(t^{2}-1)\cdot 2t\,dt}{t}=2\int(t^{2}-1)\,dt. \]Шаг 3. Интегрируем многочлен:
\[ 2\int(t^{2}-1)\,dt=2\left(\frac{t^{3}}{3}-t\right)+C=\frac{2t^{3}}{3}-2t+C. \]Шаг 4. Возвращаемся к переменной \(x\): \(t=\sqrt{x+1}\), поэтому
\[ \int\frac{x\,dx}{\sqrt{x+1}}=\frac{2}{3}\sqrt{(x+1)^{3}}-2\sqrt{x+1}+C. \]Пример 2. Вычислить \(\displaystyle\int\frac{dx}{\sqrt{x}+\sqrt[3]{x}}\).
Шаг 1. Встречаются корни степеней 2 и 3 из \(x\); \(\text{НОК}(2,3)=6\), поэтому делаем замену \(t=\sqrt[6]{x}\). Тогда \(x=t^{6}\), \(dx=6t^{5}\,dt\), причём \(\sqrt{x}=t^{3}\), \(\sqrt[3]{x}=t^{2}\).
Шаг 2. Подставляем и сокращаем:
\[ \int\frac{6t^{5}\,dt}{t^{3}+t^{2}}=6\int\frac{t^{5}\,dt}{t^{2}(t+1)}=6\int\frac{t^{3}\,dt}{t+1}. \]Шаг 3. Делим числитель на знаменатель «уголком»: \(\dfrac{t^{3}}{t+1}=t^{2}-t+1-\dfrac{1}{t+1}\). Тогда
\[ 6\int\left(t^{2}-t+1-\frac{1}{t+1}\right)dt=6\left(\frac{t^{3}}{3}-\frac{t^{2}}{2}+t-\ln|t+1|\right)+C. \]Шаг 4. Обратная замена \(t=\sqrt[6]{x}\):
\[ \int\frac{dx}{\sqrt{x}+\sqrt[3]{x}}=2\sqrt{x}-3\sqrt[3]{x}+6\sqrt[6]{x}-6\ln\left(\sqrt[6]{x}+1\right)+C. \]Пример 3. Вычислить \(\displaystyle\int\frac{dx}{\sqrt{x^{2}+4x+9}}\).
Шаг 1. Выделяем полный квадрат в подкоренном выражении:
\[ x^{2}+4x+9=(x^{2}+4x+4)+5=(x+2)^{2}+5. \]Шаг 2. Делаем замену \(u=x+2\), \(du=dx\):
\[ \int\frac{dx}{\sqrt{x^{2}+4x+9}}=\int\frac{du}{\sqrt{u^{2}+5}}. \]Шаг 3. Это табличный интеграл \(\displaystyle\int\frac{du}{\sqrt{u^{2}+a^{2}}}=\ln\left|u+\sqrt{u^{2}+a^{2}}\right|+C\) при \(a^{2}=5\):
\[ \int\frac{du}{\sqrt{u^{2}+5}}=\ln\left|u+\sqrt{u^{2}+5}\right|+C. \]Шаг 4. Возвращаемся к \(x\):
\[ \int\frac{dx}{\sqrt{x^{2}+4x+9}}=\ln\left|x+2+\sqrt{x^{2}+4x+9}\right|+C. \]