Метод замены переменной

Универсальная тригонометрическая подстановка (частный случай п.3)

В рамках урока я постараюсь подробно разобрать все перечисленные методы и привести примеры решения типовых интегралов. Следует отметить, что данное разделение по параграфам весьма условно, поскольку очень часто вышеперечисленные правила используются одновременно.

 

Использование тригонометрических формул

Пример 1

Найти неопределенный интеграл.

Сначала полное решение, потом комментарии.

Используем формулу:

 

(1) Мы видим, что в подынтегральном выражении находится произведение двух функций. К сожалению, в интегральном исчислении нет удобной формулы для интегрирования произведения: , поэтому приходится прибегать к различным ухищрениям. В данном случае мы прерываем решение значком и поясняем, что используется тригонометрическая формула. Данная формула превращает произведение в сумму.

(2) Используем свойства линейности неопределенного интеграла – интеграл от суммы равен сумме интегралов; константу можно (и нужно) вынести за знак интеграла.

! Справка: При работе с тригонометрическими функциями следует помнить, что:

Косинус – это четная функция, то есть , минус исчезает без всяких последствий. В рассматриваемом примере:

Синус – функция нечетная: – здесь минус, наоборот – не пропадает, а выносится.

(3) Под интегралами у нас сложные функции (косинусы не просто от , а от сложного аргумента). Это простейшие из сложных функций, интегралы от них удобнее найти методом подведения под знак дифференциала. Более подробно с данным приёмом можно ознакомиться на уроке Метод замены переменной в неопределенном интеграле.

(4) Используем табличную формулу , единственное отличие, вместо «икса» у нас сложное выражение.

Готово.

Пример 2

Найти неопределенный интеграл.

Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ – в конце урока.

Пример 3

Найти неопределенный интеграл.

Классика жанра для тех, кто тонет на зачёте. Как Вы, наверное, заметили, в таблице интегралов нет интеграла от тангенса и котангенса, но, тем не менее, такие интегралы найти можно.

 

(1) Используем тригонометрическую формулу

(2) Подводим функцию под знак дифференциала.

(3) Используем табличный интеграл .

Пример 4

Найти неопределенный интеграл.

Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ – в конце урока.

Пример 5

Найти неопределенный интеграл.

Степени у нас будут потихоньку повышаться =).
Сначала решение:

 

(1) Используем формулу

(2) Используем основное тригонометрическое тождество , из которого следует, что .

(3) Почленно делим числитель на знаменатель.

(4) Используем свойство линейности неопределенного интеграла.

(5) Интегрируем с помощью таблицы.

Пример 6

Найти неопределенный интеграл.

Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ – в конце урока.

Также существуют интегралы от тангенсов и котангенсов, которые находятся в более высоких степенях. Интеграл от тангенса в кубе рассмотрен на уроке Как вычислить площадь плоской фигуры? Интегралы от тангенса (котангенса) в четвертой и пятой степенях можно раздобыть на странице Сложные интегралы.

 

Понижение степени подынтегральной функции

Данный приём работает, когда подынтегральные функции нафаршированы синусами и косинусами в чётных степенях. Для понижения степени используют тригонометрические формулы , и , причем последняя формула чаще используется в обратном направлении: .

Пример 7

Найти неопределенный интеграл.

Решение:

В принципе, ничего нового здесь нет, за исключением того, что мы применили формулу (понизив степень подынтегральной функции). Обратите внимание, что я сократил решение. По мере накопления опыта интеграл от можно находить устно, это экономит время и вполне допустимо при чистовом оформлении заданий. В данном случае целесообразно не расписывать и правило , сначала устно берем интеграл от 1, затем – от .

Пример 8

Найти неопределенный интеграл.

Это пример для самостоятельного решения, полное решение и ответ – в конце урока.

Таки обещанное повышение степени:

Пример 9

Найти неопределенный интеграл.

Сначала решение, потом комментарии:

 

(1) Готовим подынтегральную функцию для применения формулы .

(2) Собственно применяем формулу.

(3) Возводим знаменатель в квадрат и выносим константу за знак интеграла. Можно было поступить несколько иначе, но, на мой взгляд, так удобнее.

(4) Используем формулу

(5) В третьем слагаемом снова понижаем степень, но уже с помощью формулы .

(6) Приводим подобные слагаемые (здесь я почленно разделил и выполнил сложение ).

(7) Собственно берём интеграл, правило линейности и метод подведения функции под знак дифференциала выполняем устно.

(8) Причесываем ответ.

! В неопределенном интеграле нередко ответ можно записать несколькими способами

В только что рассмотренном примере окончательный ответ можно было записать иначе – раскрыть скобки и даже это сделать еще до интегрирования выражения, то есть вполне допустима следующая концовка примера:

 

Вполне возможно, что такой вариант даже удобнее, просто я объяснил так, как сам привык решать). Вот еще один характерный пример для самостоятельного решения:

Пример 10

Найти неопределенный интеграл.

Это пример решается двумя способами, и у Вас могут получиться два совершенно разных ответа (точнее говоря, они будут выглядеть совершенно по-разному, а с математической точки зрения являться эквивалентными). Скорее всего, Вы не увидите наиболее рациональный способ и помучаетесь с раскрытием скобок, использованием других тригонометрических формул. Наиболее эффективное решение приведено в конце урока.

Подытоживая параграф, сделаем вывод: любой интеграл вида , где и – чётные числа, решается методом понижения степени подынтегральной функции.
На практике мне встречались интегралы с 8 и 10 степенями, решать их ужасный геморприходилось, понижая степень несколько раз, в результате чего получались длинные-длинные ответы.

 

Метод замены переменной

Как уже упоминалось в статье Метод замены переменной в неопределенном интеграле, основной предпосылкой для использования метода замены является тот факт, что в подынтегральном выражении есть некоторая функция и её производная :
(функции , не обязательно находятся в произведении)

Пример 11

Найти неопределенный интеграл.

Смотрим в таблицу производных и замечаем формулы , , то есть, в нашем подынтегральном выражении есть функция и её производная. Однако мы видим, что при дифференцировании косинус и синус взаимно превращаются друг в друга, и возникает вопрос: как выполнить замену переменной и что же обозначать за – синус или косинус?! Вопрос можно решить методом научного тыка: если мы неправильно выполним замену, то ничего хорошего не получится.

Общий ориентир: в похожих случаях занужно обозначить функцию, которая находится в знаменателе.

 

Прерываем решение и проводим замену

В знаменателе у нас всё хорошо, всё зависит только от , теперь осталось выяснить, во что превратится .
Для этого находим дифференциал :

 

Или, если короче:
Из полученного равенства по правилу пропорции выражаем нужное нам выражение:

Итак:

Теперь всё подынтегральное выражение у нас зависит только от и можно продолжать решение

 

Готово. Напоминаю, что цель замены – упростить подынтегральное выражение, в данном случае всё свелось к интегрированию степенной функции по таблице.

Я не случайно так подробно расписал этот пример, это сделано в целях повторения и закрепления материалов урока Метод замены переменной в неопределенном интеграле.

А сейчас два примера для самостоятельного решения:

Пример 12

Найти неопределенный интеграл.

 

Пример 13

Найти неопределенный интеграл.

 

Полные решения и ответы в конце урока.

Пример 14

Найти неопределенный интеграл.

 

Здесь опять в подынтегральном выражении находятся синус с косинусом (функция с производной), но уже в произведении, и возникает дилемма – что же обозначать за , синус или косинус?

Можно попытаться провести замену методом научного тыка, и, если ничего не получится, то обозначить за другую функцию, но есть:

Общий ориентир: занужно обозначить ту функцию, которая, образно говоря, находится в «неудобном положении».

Мы видим, что в данном примере студент косинус «мучается» от степени, а синус – свободно так сидит, сам по себе.

Поэтому проведем замену:

Если у кого остались трудности с алгоритмом замены переменной и нахождением дифференциала , то следует вернуться к уроку Метод замены переменной в неопределенном интеграле.

 

Пример 15

Найти неопределенный интеграл.

 

Анализируем подынтегральную функцию, что нужно обозначить за ?
Вспоминаем наши ориентиры:
1) Функция, скорее всего, находится в знаменателе;
2) Функция находится в «неудобном положении».

Кстати, эти ориентиры справедливы не только для тригонометрических функций.

Под оба критерия (особенно под второй) подходит синус, поэтому напрашивается замена . В принципе, замену можно уже проводить, но сначала неплохо было бы разобраться, а что делать с ? Во-первых, «отщипываем» один косинус:

 

мы резервируем под наш «будущий» дифференциал

А выражаем через синус с помощью основного тригонометрического тождества:

 

Вот теперь замена:

 

Готово.

Общее правило: Если в подынтегральной функции одна из тригонометрических функций (синус или косинус) находится внечетнойстепени, то нужно от нечетной степени «откусить» одну функцию, а за– обозначить другую функцию.Речь идет только об интегралах, где есть косинусы и синусы.

В рассмотренном примере в нечетной степени у нас находился косинус, поэтому мы отщипнули от степени один косинус, а за обозначили синус.

Пример 16

Найти неопределенный интеграл.

 

Степени идут на взлёт =).
Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.

 

Универсальная тригонометрическая подстановка

Универсальная тригонометрическая подстановка – это частый случай метода замены переменной. Её можно попробовать применить, когда «не знаешь, что делать». Но на самом деле есть некоторые ориентиры для ее применения. Типичными интегралами, где нужно применить универсальную тригонометрическую подстановку, являются следующие интегралы: , , , и т.д.

Пример 17

Найти неопределенный интеграл.

 

Универсальная тригонометрическая подстановка в данном случае реализуется следующим способом. Проведем замену: . Я использую не букву , а букву , это не является каким-то правилом, просто опять же я так привык решать.

Здесь удобнее находить дифференциал , для этого из равенства , я выражаю :
Навешиваю на обе части арктангенс:

Арктангенс и тангенс взаимно уничтожаются:

Таким образом:

На практике можно не расписывать так подробно, а просто пользоваться готовым результатом:

! Выражение справедливо только в том случае, если под синусами и косинусами у нас просто «иксы», для интеграла (о котором мы еще поговорим) всё будет несколько иначе!

При замене синусы и косинусы у нас превращаются в следующие дроби:
, , эти равенства основаны на известных тригонометрических формулах: ,

Итак, чистовое оформление может быть таким:

 

Проведем универсальную тригонометрическую подстановку:

 

(1) Производим в исходный интеграл подстановку: , , .

(2) Приводим знаменатель к общему знаменателю.

(3) Избавляемся от четырехэтажности дроби, при этом у нас сокращается. Раскрываем скобки в знаменателе, двойку в числителе выносим за знак интеграла.

(4) Приводим подобные слагаемые в знаменателе.

(5) Интеграл решается методом выделения полного квадрата. Более подробно с этим методом можно ознакомиться на уроке Интегрирование некоторых дробей. Разложение является подготовкой для осуществления вышеуказанного приёма

(6) Выделяем полный квадрат и готовим интеграл для интегрирования.

(7) Интегрируем по табличной формуле .

(8) Проводим обратную замену, вспоминая, что .

Готово.

Рассмотрим похожий интеграл: , нет, решать мы его не будем =), а просто поймем как проводить замену.

Здесь тоже проводится универсальная тригонометрическая подстановка: .
Обратите внимание, что аргумент под тангенсом должен быть в два раза меньше, чем под синусом и косинусом. Формулы , сохраняют статус-кво, а вот дифференциал будет немного другой (я не зря недавно так подробно его расписал):

Интеграл решается путем замены и т.д., всё точно так же, единственное отличие, дифференциал будет опять немного другой.

Пример 18

Найти неопределенный интеграл.

 

Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.

С помощью универсальной тригонометрической подстановки решаются и интегралы вроде такого:

Пример 19

Найти неопределенный интеграл.

 

Здесь перед применением универсальной тригонометрической подстановки необходимо понизить степени в знаменателе при помощи формул , . Попробуйте разобраться в данном примере самостоятельно, полное решение и ответ очень близко!

Применение универсальной тригонометрической подстановки часто приводит к длинным и трудоемким вычислениям. Поэтому на практике универсальной тригонометрической подстановки стараются избегать (если возможно). Для этого используют ряд методов и приемов, о которых можно прочитать в статье Сложные интегралы.

 

Пример 2: Решение:

 

Используем формулу:

 

Пример 4: Решение:

Пример 6: Решение:

 

Пример 8: Решение:

 

Пример 10: Решение:

 

Пример 12: Решение:

Проведем замену:

Примечание: здесь можно было сделать замену , но гораздо выгоднее обозначить за весь знаменатель.

Пример 13: Решение:

Проведем замену:

Пример 16: Решение:

Проведем замену:

Пример 18: Решение:

Проведем универсальную тригонометрическую подстановку:

Пример 19: Решение:

Универсальная тригонометрическая подстановка: