Інтегральне числення 3 страница

Р(х) = (х – с)Q(х).

де Q(x) - многочлен степеня n–1.

Нагадаємо основну теорему алгебри: будь-який многочлен п -го степенямає точно n - коренів.

Серед цих коренів можуть бути як дійсні так і комплексні числа. Якщо многочлен ділиться не тільки на лінійний двучлен х – с, а й на вищий степінь, тобто на многочлен вигляду (х – с)^k, де k - натуральне число, k >1, то число с звуть коренем кратності k. Якщо k = 1, то число с називається простим коренем многочлена.

Якщо комплексне число є коренем многочлена здійсними коефіцієнтами, то й число , комплексно спряжене з числом с, буде коренем даного многочлена.

З властивості спряженості комплексних коренів многочлена з дійсними коефіцієнтами випливає, що коли він непарного степеня, то має хоча б один дійсний корінь.

Отже, будь-який многочлен з дійсними коефіцієнтами можна записати, і причому єдиним способом (з точністю до порядку співмножників), у вигляді добутку свого старшого коефіцієнта, кількох лінійних многочленів вигляду (х – с), які відповідають його дійсним кореням, і квадратних многочленів х² + рх + q, що відповідають парам спряжених комплексних коренів.

Многочлени типу (х – с) і (х² + рх + q) звуть незвідними многочленами у множині дійсних чисел.

Приклад. Розкласти многочлен на множники.

Розв'язання. За теоремою Вієта добуток коренів многочлена такого типу дорівнює вільному члену. Тобто, . Прові-ремо числа . Нехай х = 1. Тоді

.

Отже, число х = 1 є корінь. Нехай х = –2. Тоді

Отже, число х = –2 є корінь. Розділимо Р(х) на добуток:

.

Маємо:

Ρ(х) = Q(x)S(x), де . Отже, тепер треба знайти корені многочлена третього степеня. Нехай х = 1, тоді Q(1) = 1–1+1–1= 0. Отже, число x = 1 є корінь.

Останній многочлен можна розкласти на множники методом групування:

.

Отже,

.

3) Найпростіші раціональні дроби.

Визначення. Правильні раціональні дроби вигляду

a) A/(x – a), б) А/(х – а)^k, (k ≥ 2),

в) (Ax+B)/(x² + px + q), (p²/4 – q < 0),

г) (Ax+B)/(x² + px + q)^k, (k ≥ 2, p²/4 – q < 0)

мають назву найпростіших.

4) Розкладання раціонального дробу на найпростіші. Нехай нам дано правильний раціональний дріб P(x)/Q(x), де

;

дріб P(x)/Q(x) може бути представлений у вигляді

Коефіцієнти визначаються після приведення правої частини до загального знаменника і знаходження у чисельниках тотожніх многочленів. Зрівнявши коефіцієнти при однакових степенях х, матимемо систему рівнянь для визначення невідомих коефіцієнтів А, А₁,.... Цей метод знаходження коефіцієнтів має назву: метод невизначених коефіцієнтів.

Крім цього для визначення коефіцієнтів можна скористатись тим, що многочлени, які є в чисельниках зліва і справа тотожні, то їх значення повинні бути рівними при будь-яких значеннях аргументу х. Надаючи х окремі значення, матимемо рівняння для визначення коефіцієнтів.

Отже, всякий правильний раціональний дріб може бути поданий у вигляді суми найпростіших раціональних дробів.

Приклад. Розкласти на суму найпростіших дробів правильний дріб P(x)/Q(x). де

; .

Розв'язання. Многочлен Q(x) було розкладено на множники вище:

.

Шукане розкладання дробу матиме вигляд

,

де числа А, В, С, D і Е ще треба знайти. Зводячи праву частину дробу до спільного знаменника, з умови рівності дробів, дістаємо рівність многочленів:

.

Два многочлени вважають рівними, якщо рівні їхні коефіцієнти при однакових степенях змінної х.

Далі, зрівнявши коефіцієнти при однакових степенях невідомих у лівій і правій частинах останньої рівності, дістанемо систему п'яти лінійних рівнянь з п'ятьма невідомими:

ця система має єдиний розв'язок: А = 3, В = 1, С = –2, D = 1, Ε = –3. Отже, шуканий розклад має вигляд: ·

.

5) Інтегрування раціональних дробів. Розглянемо інтегрування найпростіших раціональних дробів:

;

;

.

Останній інтеграл розглянуто у попередньому розділі.

Нехай треба обчислити інтеграл від раціонального дробу: . Якщо дріб неправильний, то його представимо у вигляді суми цілої частини і правильного раціонального дробу. Останній дріб розкладаємо на суму найпростіших дробів.

З попереднього відомо, що тип найпростіших дробів визначається коренями знаменника Q(x). Тут можливі такі випадки:

а) Корені знаменника дійсні й різні, тобто

Q(х) = (х – а)(х – b)... (х – с).

У цьому разі правильний дріб розкладається на найпростіші дробі першого типу:

P(x)/Q(x) = А/(х – а) + В/(х – b) +... + D/(x – d),

і тоді

.

б) Корені знаменника дійсні, але деякі зних кратні:

.

У цьому разі дріб розкладається на найпростіші дробі першого і другого типів.

Приклад.

.

Тут . Застосувавши метод невизначених коефіцієнтів, маємо: A= – 1; B= 1/3; C= –2/9;D= 2/9. Перевірте самостійно.

.

в) Серед коренів знаменника є дійсні і комплексно-спряжені:

.

У цьому разі дріб P(x)/Q(x) розкладається на найпростіші дробі першого, другого і третього типів.

Приклад.

.

Тут . Нехай x = 1, маємо 1 = 2С, С= 1/2; нехай х = 0, 0 = В + С, Β = 1/2. Прирівнявши коефіцієнти при х, маємо 0 = А + С; А = 1/2. Отже,

.

Останній випадок, коли у знаменнику є кратні комплексні корені, розглядати не будемо.

Отже, інтеграл від будь-якої раціональної функції може бути визначений через елементарні функції у скінченному вигляді.

8. Інтегрування деяких ірраціональних функцій. Не від усякої ірраціональної функції інтеграл має вираз через елементарні функції. Тут розглянемо ті ірраціональні функції, інтеграли від яких за допомогою підстановок зводяться до інтегралів від раціональних функцій і, отже, інтегруються.

а) Розглянемо інтеграл , де R - раціональна функція вказаних аргументів. Нехай k - загальний знаменник дробів m/п,...,r/s. Зробимо підстановку , . Тоді кожний дрібний степінь х матиме вираз через цілу степінь t і, отже, підінтегральна функція перетвориться у раціональну функцію від t. Після інтегрування за змінною t повертаємось до змінної х: .

Приклад. .

Загальний знаменник дробів 1/2 і 3/4 є 4. Робимо підстановку ; ; тоді

.

6) Розглянемо інтеграл

. Цей інтеграл зводиться до інтеграла від раціональної функції за допомогою підстановки , де k - загальний знаменник дробів m/n,.... r/s. Після інтегрування за змінною t повертаємось до змінної х.

Приклад. .

Робимо заміну: ; ; ;

.

в) Розглянемо інтеграл виду , де .

Цей інтеграл може бути перетворено до інтеграла від раціональної функції за допомогою тригонометричних підстановок. Інтеграли від тригонометричних функцій розглянуті нижче.

Перетворимо . Зробимо заміну змінної, поклавши x + b/(2a) = t; dx = dt. Тоді:

.

Розглянемо можливі випадки:

1) Нехай а > 0, . Позначимо , . У цьому випадку будемо мати

;

2) Нехай а > 0, ; тоді , . Отже, ;

3) Нехай а < 0, ; тоді , . Отже, .

Таким чином, інтеграл перетворюється до одного зінтегралів:

1) ;

2) ;

3) .

Очевидно, що перший інтеграл зводиться до інтеграла від тригонометричних функцій за допомогою підстановки . Другий інтеграл потребує підстановки або , третій - . Після інтегрування за змінною u повертаємося до змінної t, а потім - х.

Приклад. .

Це інтеграл третього типу. Робимо заміну:

;.

.

Тут . Відомо, .

9. Інтегрування деяких класів тригонометричних функцій. Розглянемо інтеграл

.

Покажемо, що цей інтеграл за допомогою універсальної підстановки tg(x/2) = t завжди зводиться до інтеграла від раціональної функції. Виконаємо необхідні перетворення:

;

і ,

тобто . Отже, sinx, cosx і dx мають раціональні вирази відносно t. Оскільки раціональна функція від раціональних функцій знову раціональна, маємо:

= .

Приклад. .

=

.

Поряд з "універсальною" підстановкою є і інші підстановки, які у деяких випадках дають значно простіші раціональні вирази і тим самим швидше ведуть до цілі:

а) якщо маємо інтеграл , то підстановка , зводить цей інтеграл до ;

б) якщо маємо інтеграл то підстановка cosx = t, –sinxdx = dt зводить цей інтеграл до: ;

в) якщо підінтегральна функція залежна тільки від tgx, то заміна tgх = t, x = arctgt, dx = dt/(1+t²) приводить цей інтеграл до інтеграла від раціональної функції:

;

г) якщо підінтегральна функція має вигляд , але sinx і cosx знаходяться у парних степенях, то робимо заміну: tgx = t, тому що

, ;

д) розглянемо , де т і n - цілі числа. Тут можливі таки випадки:

1) n чи т непарне. Нехай п = 2р+1, тоді

.

Зробимо заміну: sinx = t, cosxdx = dt. Отже,

,

маємо інтеграл від раціональної функції.

2) т і п парні додатні числа. Використаємо формули зниження степені тригонометричних функцій:

, . Отже, де т = 2р і n = 2q. Після піднесення до степеней ρ і q множення многочленів, матиме cos2x яку парних, так і непарних степенях. Члени з непарними степенями інтегруються, як указано вище. Члени з парними степенями знову перетворюємо за формулами пониження степені. Продовжуючи цей процес, дійдемо до інтегралів від сталих величин і функцій coskx, які легко інтегруються.

3) Якщо m i n парні, але одне з чисел від'ємне, то робимо заміну tgx = t, або ctgx = t;

е) якщо маємо інтеграли:

, , ,

то треба скористатися формулами:

,

,

.

Приклади.

1)

.

Зроблено заміну: cosx = t, –sinxdx = dt;

2) .

.

Зроблено заміну: tgx = t; dx = dt/(1+t²).

3)

.

Зроблено заміну: sinx = t; cosxdx = dt.

4)

.

Зробили подвоєння аргументу.

5)

Зроблено заміну: tgx = t; dx = dt/(1+t²).

6) .

Тут

Отже:

Зауваження. Не кожна первісна, навіть тоді, коли вона існує, має вираз через елементарні функції у скінченному вигляді.

РОЗДІЛ 2. ВИЗНАЧЕНИЙ ІНТЕГРАЛ

Могутнім засобом досліджень у математиці, фізиці, механіці та інших дисциплінах є визначений інтеграл - одне з головних понять математичного аналізу. Обчислення площин, обмежених кривими, довжин дуг, об'ємів, роботи, швидкості, довжини шляху, моментів інерції і ін. зводиться до обчислення визначеного інтеграла.

1. Обчислення площі криволінійної трапеції. Нижня і верхня інтегральнісуми. Нехай на відрізку [a;b] задано неперервну функцію у = f(x) (рис. 67). Позначимо через т і Μ їїнайменше і найбільше значення на цьому відрізку. Розіб'ємо відрізок [а;b] на n частин точками ділення а = х₀, , такими, щo і покладемо , . Позначимо, далі, найменше та найбільше значення функції f(x) на відрізку [x₀, x₁] через m₁ і М₁, на відрізку [х₁, х₂] через m₂ і М₂,…, на відрізку через m_n і М_m. Складемо суми (71)

(72)

Рис. 67

Суму звуть нижньою інтегральною сумою, а суму - верхньою інтегральною сумою.

Якщо f(x) ³ 0, то нижня інтегральна сума чисельно дорівнює площині вписаної ступінчастої фігури АС₀Ν₁C₁N₂…С_n–1N_nBA, обмеженої вписаною ламаною, верхня інтегральна сума чиcельно дорівнює площині описаної ступінчастої фігури АK₀С₁K₁…C_nBA, обмеженої описаною ламаною.

Відзначимо деякі властивості верхньої та нижньої інтегральних сум.

а) Оскільки для будь-якого , то

. (73)

(знак рівності можливий тільки в разі f(х) = const.)

б) Оскільки , де т - найменше значення f(х) на [а;b], то

. (74)

в) Оскільки , , де M - найбільше зна-чення f(x) на [а;b], то

. (75)

Об'єднавши ці нерівності, маємо

. (76)

Якщо f(x) ³ 0, то остання нерівність має простий геометричний зміст. Так m(b – а) і М(b – а) відповідає площі вписаного і описаного прямокутників ΑС₀Β₀Β і АА₀С_nВ (рис. 67).