Интегрирование иррациональных функций

33.1. Квадратичные иррациональности

Рассмотрим некоторые типы интегралов, содержащих иррациональные функции.

Интегралы типа

называют неопределенными интегралами от квадратичных иррациональностей.

Их можно найти следующим образом: под радикалом выделить

полный квадрат

и сделать подстановку. При этом первые два интеграла приводятся

к табличным, а третий — к сумме двух табличных интегралов.

20. Определенный интегралл.

Формула Ньютона-Лейбница. Пусть F(x) -произвольная первообразная для функции f(x), заданной на промежутке [a,b]. Так как две первообразные одной и той же функции отличаются на постоянное слагаемое, то верно равенство (1):

(в качестве числа х0 взято число а).

В этом тождестве положим х=а и получим,

Откуда С = -F(a). Формула (1) примет вид:

Заменяя здесь х на b, приходим к формуле Ньютона-Лейбница:

Определённым интегралом:

Числа a и b называются пределами интегрирования, f (x) dx – подынтегральным выражением.

Свойства определенного интеграла:

1. Для того чтобы определенный интеграл вообще существовал, необходимо чтобы подынтегральная функция была непрерывной на отрезке интегрирования.

2. В определенном интеграле можно переставить верхний и нижний предел, сменив при этом знак:

21. Общая схема применения определенного интеграла. Для нахождения этой величины А можно руководствоваться одной из двух схем: I схема (или метод интегральных сумм) и II схема (или метод дифференциала).

Первая схема базируется на определении определенного интеграла.

1. Точками х0 = а, x1,..., xn = b разбить отрезок [а;b] на n частей. В соответствии с этим, интересующая нас величина А разобьется на n «элементарных слагаемых» ΔAi (i = 1,...,n): А = ΔA1+ΔА2 +...+ ΔАn.

2. Представить каждое «элементарное слагаемое» в виде произведения некоторой функции (определяемой из условия задачи), вычисленной в произвольной точке соответствующего отрезка на его длину: ΔAi ≈ ƒ(ci)Δxi.

При нахождении приближенного значения ΔАi допустимы некоторые упрощения: дугу на малом участке можно заменить хордой, стягивающей ее концы; переменную скорость на малом участке можно приближенно считать постоянной и т. д.

Получим приближенное значение величины А в виде интегральной суммы:

A ≈ ƒ(c1)Δx1+…ƒ(cn)Δxn­=

3. Искомая величина А равна пределу интегральной суммы, т. е.

A=

Указанный «метод сумм», как видим, основан на представлении интеграла как о сумме бесконечно большого числа бесконечно малых слагаемых.

Схема I была применена для выяснения геометрического и физического смысла определенного интеграла.

Вторая схема представляет собой несколько видоизмененную схему I и называется «метод дифференциала» или «метод отбрасывания бесконечно малых высших порядков»:

1) на отрезке [а;b] выбираем произвольное значение х и рассматриваем переменный отрезок [а; х]. На этом отрезке величина А становится функцией х: А = А(х), т. е. считаем, что часть искомой величины А есть неизвестная функция А(х), где х є [a;b] — один из параметров величины А;

2) находим главную часть приращения ΔА при изменении х на малую величину Δх = dx, т. е. находим дифференциал dA функции А = А(х): dA = ƒ(х) dx, где ƒ(х), определяемая из условия задачи, функция переменной х (здесь также возможны различные упрощения);

3) считая, что dA ≈ ΔА при Δх → 0, находим искомую величину путем интегрирования dA в пределах от а до b: A(b)=A= .

22.Площадь сектора, заданного в полярных координатах:

Площадь S сектора ОАВ вычисляется по формуле:

23. Длинна дуги кривой. Длина дуги кривой заданной параметрически

Пусть уравнение кривой L задано в параметрической форме: х = x{i), у = y(i), где функции x(t), y(t) непрерывно дифференцируемы на причем на Тогда

и

Длина дуги кривой заданной в полярных координатах

Полярные координаты

Пусть кривая АВ задана уравнением в полярных координатах r = r(φ), а≤φ≤β. Предположим, что r(φ) и r'(φ) непрерывны на отрезке [а;β].

Если в равенствах х = rcosφ, у = rsinφ, связывающих полярные и декартовы координаты, параметром считать угол φ, то кривую АВ можно задать параметрически

Тогда

Поэтому

Применяя формулу:

Получаем:

24. Объем тела по площади параллельных сечений. Пусть имеется тело объема V. Площадь любого поперечного сечения тела Q, известна как непрерывная функция Q = Q(x). Разобьем тело на “слои” поперечными сечениями, проходящими через точки хi разбиения отрезка [a, b]. Т.к. на каком- либо промежуточном отрезке разбиения [xi-1, xi] функция Q(x) непрерывна, то принимает на нем наибольшее и наименьшее значения. Обозначим их соответственно Mi и mi. Прикладная математика и физика

Если на этих наибольшем и наименьшем сечениях построить цилиндры с образующими, параллельными оси х, то объемы этих цилиндров будут соответственно равны Mixi и mixi здесь xi = xi - xi-1.

Произведя такие построения для всех отрезков разбиения, получим цилиндры, объемы которых равны соответственно и .

При стремлении к нулю шага разбиения , эти суммы имеют общий предел:

Таким образом, объем тела может быть найден по формуле:

25. Объём тела вращения

В частном случае, когда тело образовано вращением вокруг оси Ох криволинейной трапеции, заданной непрерывной функцией y = f (x), а ≤ x ≤ b, объем тела вращения вычисляется по формуле

Действительно, сечение тела вращения плоскостью, перпендикулярной оси Ох и проходящей через точку (х, 0), представляет собой круг радиуса f(x). Площадь этого сечения (площадь круга) равна S (x) = π (f (x))2. Из формулы объёма тела по параллельным сечениям получаем формулу

Замечание. Если криволинейная трапеция 0 ≤ х ≤ φ (у), а ≤ у ≤ b вращается вокруг оси Оу, то объем тела вращения найдём по формуле