Метод замены переменной в неопределенном интеграле

 

Переходим к рассмотрению общего случая – метода замены переменных в неопределенном интеграле.

 

Пример 5

Найти неопределенный интеграл.

.

В качестве примера возьмём интеграл, который мы рассматривали в самом начале урока. Как мы уже говорили, для решения интеграла нам приглянулась табличная формула ,

и всё дело хотелось бы свести к ней.

Идея метода замены состоит в том, чтобы сложное выражение (или некоторую функцию) заменить одной буквой.

В данном случае напрашивается:

.

Вторая по популярности буква для замены – это буква z. В принципе, можно использовать и другие буквы, но мы всё-таки будем придерживаться традиций.

Итак:

Но при замене у нас остаётся dx! Наверное, многие догадались, что если осуществляется переход к новой переменной t, то в новом интеграле всё должно быть выражено через букву t, и дифференциалу dx там совсем не место. Следует логичный вывод, что dx нужно превратить в некоторое выражение, которое зависит только отt.

Действие следующее. После того, как мы подобрали замену, в данном примере - это , нам нужно найти дифференциал dt.

Так как

, то

Окончательный результат рекомендуем переписать максимально коротко: .

Теперь по правилам пропорции выражаем dx:

.

В итоге:

.

Таким образом:

.

А это уже самый что ни на есть табличный интеграл

(таблица, интегралов, естественно, справедлива и для переменной t).

.

В заключении осталось провести обратную замену. Вспоминаем, что .

Готово.

Чистовое оформление рассмотренного примера должно выглядеть примерно так:

Проведем замену: , тогда

.

.

 

Значок не несет никакого математического смысла, он обозначает, что мы прервали решение для промежуточных объяснений.

Также всем рекомендую использовать математический знак вместо фразы «из этого следует это». И коротко, и удобно.

При оформлении примера в тетради надстрочную пометку обратной замены лучше выполнять простым карандашом.

Внимание! В следующих примерах нахождение дифференциала новой переменной расписываться подробно не будет.

Вспомнить первый способ решения:

В чем разница? Принципиальной разницы нет. Это фактически одно и то же.

Но, с точки зрения оформления задания, метод подведения функции под знак дифференциала гораздо короче.

Возникает вопрос. Если первый способ короче, то зачем тогда использовать метод замены? Дело в том, что для ряда интегралов не так-то просто «подогнать» функцию под знак дифференциала.

 

Пример 6

Найти неопределенный интеграл.

.

Проведем замену:

, тогда

;

.

Как видите, в результате замены исходный интеграл значительно упростился – свёлся к обычной степенной функции. Это и есть цель замены – упростить интеграл.

Ленивые продвинутые люди запросто решат данный интеграл методом подведения функции под знак дифференциала:

Другое дело, что такое решение очевидно далеко не для всех студентов. Кроме того, уже в этом примере использование метода подведения функции под знак дифференциала значительно повышает риск запутаться в решении.

 

Пример 7

Найти неопределенный интеграл

. Выполнить проверку.

Это пример для самостоятельного решения. Ответ в конце урока.

 

Пример 8

Найти неопределенный интеграл.

.

Решение: Производим замену: .

.

Осталось выяснить, во что превратится xdx? Время от времени в ходе решения интегралов встречается следующий трюк: x мы выразим из той же замены :

.

Готово.

 

Пример 9

Найти неопределенный интеграл.

.

Это пример для самостоятельного решения. Ответ в конце урока.

 

Пример 10

Найти неопределенный интеграл .

 

Наверняка некоторые обратили внимание, что в справочной таблице нет правила замены переменной. Сделано это сознательно. Правило внесло бы путаницу в объяснение и понимание, поскольку в вышерассмотренных примерах оно не фигурирует в явном виде.

 

Настало время рассказать об основной предпосылке использования метода замены переменной: в подынтегральном выражении должна находиться некоторая функция и её производная . Например, как: .

Функции , могут быть и не в произведении, а в ином сочетании.

В этой связи при нахождении интегралов довольно часто приходится заглядывать в таблицу производных.

В рассматриваемом Примере 10 замечаем, что степень числителя на единицу меньше степени знаменателя. В таблице производных находим формулу , которая как раз понижает степень на единицу. А, значит, если обозначить за t знаменатель, то велики шансы, что и числитель xdx превратится во что-нибудь хорошее:

Замена: .

Кстати, здесь не так сложно подвести функцию под знак дифференциала:

Следует отметить, что для дробей вроде , такой фокус уже не пройдет (точнее говоря, применить нужно будет не только прием замены).

Интегрировать некоторые дроби можно научиться на уроке Интегрирование сложных дробей. Вот еще пара типовых примеров для самостоятельного решения на тот же метод.

 

Пример 11

Найти неопределенный интеграл

.

 

Пример 12

Найти неопределенный интеграл

.

Решения в конце урока.

 

Пример 13

Найти неопределенный интеграл

.

Смотрим в таблицу производных и находим наш арккосинус: , поскольку у нас в подынтегральном выражении находится арккосинус и нечто, похожее на его производную.

 

Общее правило:

За t обозначаем саму функцию(а не её производную).

 

В данном случае: . Осталось выяснить, во что превратится оставшаяся часть подынтегрального выражения

.

В этом примере нахождение dtраспишем подробно, поскольку – сложная функция:

или, короче:

.

По правилу пропорции выражаем нужный нам остаток: .

Таким образом:

 

Пример 14

Найти неопределенный интеграл.

.

Пример для самостоятельного решения. Ответ совсем близко.

 

Внимательные читатели заметили, что мы рассмотрели мало примеров с тригонометрическими функциями. И это не случайно, поскольку под интегралы от тригонометрических функций отведёны отдельные уроки 7.1.5, 7.1.6, 7.1.7. Более того, далее даны некоторые полезные ориентиры для замены переменной, что особенно актуально для чайников, которым не всегда и не сразу понятно, какую именно замену нужно проводить в том или ином интеграле. Также некоторые типы замен можно посмотреть в статье 7.2.

Более опытные студенты могут ознакомиться с типовой заменой в интегралах с иррациональными функциями. Замена при интегрировании корней является специфической, и её техника выполнения отличается от той, которую мы рассмотрели на этом уроке.

 

 

Решения и ответы:

Пример 3: Решение:

Пример 4: Решение:

Пример 7: Решение:

Пример 9: Решение:

Замена: ;

;

Пример 11: Решение:

Проведем замену:

Пример 12: Решение:

Проведем замену:

 

Пример 14: Решение:

Проведем замену: