Главная → Excel → Интегралы замена переменной примеры решений. Метод замены переменной (метод подстановки). Метод замены переменной в неопределенном интеграле

Интегралы замена переменной примеры решений. Метод замены переменной (метод подстановки). Метод замены переменной в неопределенном интеграле

Метод основан на следующей формуле: ò f(x)dx = ò f(j(t)) j`(t) dt, где x = j(t) - функция, дифференцируемая на рассматриваемом промежутке.

Доказательство. Найдем производные по переменной t от левой и правой частей формулы.

Отметим, что в левой части находится сложная функция, промежуточным аргументом которой является x = j(t). Поэтому, чтобы дифференцировать ее по t, сначала дифференцируем интеграл по x, а затем возмем производную от промежуточного аргумента по t.

(ò f(x)dx)` t = (ò f(x)dx)` x *x` t = f(x) j`(t)

Производная от правой части:

(ò f(j(t)) j`(t) dt)` t = f(j(t)) j`(t) = f(x) j`(t)

Так как эти производные равны, по следствию из теоремы Лагранжа левая и правая части доказываемой формулы отличаются на некоторую постоянную. Поскольку сами неопределенные интегралы определены с точностью до неопределенного постоянного слагаемого, то указанную постоянную в окончательной записи можно опустить. Доказано.

Удачная замена переменной позволяет упростить исходный интеграл, а в простейших случаях свести его к табличному. В применении этого метода различают методы линейной и нелинейной подстановки.

а) Метод линейной подстановки рассмотрим на примере.

Пример 1. . Пусть t = 1 – 2x, тогда

dx = d(½ - ½ t) = - ½ dt

Следует отметить, что новую переменную можно не выписывать явно. В таких случаях говорят о преобразовании функции под знаком дифференциала или о введении постоянных и переменных под знак дифференциала, - т.е. о неявной замене переменной .

Пример 2. Например, найдем òcos(3x + 2)dx. По свойствам дифференциала
dx = (1/3)d(3x) = (1/3)d(3x + 2), тогда òcos(3x + 2)dx = ò(1/3)cos(3x + 2)d(3x +
+ 2) = (1/3)òcos(3x + 2)d(3x + 2) = (1/3)sin(3x + 2) + C.

В обоих рассмотренных примерах для нахождения интегралов была использована линейная подстановка t = kx + b (k ¹ 0).

В общем случае справедлива следующая теорема.

Теорема о линейной подстановке . Пусть F(х) - некоторая первообразная для функции f(х). Тогда òf(kx + b)dx = (1/k)F(kx + b) + C, где k и b - некоторые постоянные, k ¹ 0.

Доказательство.

По определению интеграла òf(kx + b)d(kx + b) = F(kx + b) + C. Ho
d(kx + b)= (kx + b)`dx = kdx. Вынесем постоянный множитель k за знак интеграла: kòf(kx + b)dx = F(kx + b) + C. Теперь можно разделить левую и правую части равенства на k и получить доказываемое утверждение с точностью до обозначения постоянного слагаемого.

Данная теорема утверждает, что если в определение интеграла ò f(x)dx = F(x) + C вместо аргумента х подставить выражение (kx + b), то это приведет к появлению дополнительного множителя 1/k перед первообразной.

С использованием доказанной теоремы решим следующие примеры.

Пример 3.

Найдем . Здесь kx + b = 3 – x, т.е. k = -1, b = 3. Тогда

Пример 4.

Найдем . Здесь kx + b = 4x + 3, т.е. k = 4, b = 3. Тогда

Пример 5.

Найдем . Здесь kx + b = -2x + 7, т.е. k = -2, b = 7. Тогда

Пример 6. Найдем . Здесь kx + b = 2x + 0, т.е. k = 2, b = 0.

Сравним полученный результат с примером 8, который был решен методом разложения. Решая эту же задачу другим методом, мы получили ответ . Сравним полученные результаты: . Таким образом, эти выражения отличаются друг от друга на постоянное слагаемое , т.е. полученные ответы не противоречат друг другу.

Пример 7. Найдем . Выделим в знаменателе полный квадрат.

В некоторых случаях замена переменной не сводит интеграл непосредственно к табличному, но может упростить решение, сделав возможным применение на последующем шаге метода разложения.

Пример 8. Например, найдем . Заменим t = x + 2, тогда dt = d(x + 2) = dx. Тогда

где С = С 1 – 6 (при подстановке вместо t выражения (x + 2) вместо первых двух слагаемых получим ½x 2 -2x – 6).

Пример 9. Найдем . Пусть t = 2x + 1, тогда dt = 2dx; dx = ½ dt; x = (t – 1)/2.

Подставим вместо t выражение (2x + 1), раскроем скобки и приведем подобные.

Отметим, что в процессе преобразований мы перешли к другому постоянному слагаемому, т.к. группу постоянных слагаемых в процессе преобразований можно было опустить.

б) Метод нелинейной подстановки рассмотрим на примере.

Пример 1. . Пусть t = - x 2 . Далее можно было бы выразить х через t, затем найти выражение для dx и реализовать замену переменной в искомом интеграле. Но в данном случае проще поступить по-другому. Найдем dt = d(-x 2) = -2xdx. Отметим, что выражение xdx является сомножителем подынтегрального выражения искомого интеграла. Выразим его из полученного равенства xdx = - ½ dt. Тогда

= ò (- ½)e t dt = (- ½)ò e t dt = (- ½)e t + C = (- ½) + C

Рассмотрим еще несколько примеров.

Пример 2. Найдем . Пусть t = 1 - x 2 . Тогда

Пример 3. Найдем . Пусть t = . Тогда

Пример 4. В случае нелинейной подстановки также бывает удобно использовать неявную замену переменной.

Например, найдем . Запишем xdx =
= (-1/4)d(3 - 2x 2) (неявно заменили переменной t = 3 - 2x 2). Тогда

Пример 5. Найдем . Здесь тоже введем переменную под знак дифференциала: (неявная замена t = 3 + 5x 3). Тогда

Пример 6. Найдем . Поскольку ,

Пример 7. Найдем . Поскольку , то

Рассмотрим несколько примеров, в которых возникает необходимость сочетать различные подстановки.

Пример 8. Найдем . Пусть
t = 2x + 1, тогда x = (t – 1)/2; dx = ½ dt.

Пример 9. Найдем . Пусть
t = x - 2, тогда x = t + 2; dx = dt.

2. Замена переменной (метод подстановки)

Суть метода подстановки заключается в том, что в результате введения новой переменной заданный сложный интеграл приводится к табличному или такому, прием вычисления которого известен.

Пусть требуется вычислить интеграл . Существует два правила подстановки:

Общего правила подбора функции
не существует, но есть несколько типов подынтегральных функций, для которых имеются рекомендации по подбору функции
.

Замену переменных можно применять несколько раз, пока не будет получен результат.

Пример 1. Найти интегралы:

а)
; б)
; в)
;

г)
; д)
; е)
.

Решение.

а) Среди табличных интегралов нет содержащих радикалы различных степеней, поэтому «хочется избавиться», прежде всего, от
и
. Для этого потребуется заменить х таким выражением, из которого легко извлекались бы оба корня:

б) Типичный пример, когда возникает желание «избавиться» от показательной функции
. Но в данном случае удобнее за новую переменную взять всё выражение, стоящее в знаменателе дроби:

;

в) Замечая, что в числителе стоит произведение
, являющееся частью дифференциала подкоренного выражения, заменим все это выражение новой переменной:

;

г) Здесь, как и в случае а), хочется избавиться от радикала. Но поскольку, в отличие от пункта а), здесь только один корень, то именно его и заменим новой переменной:

д) Здесь выбору замены способствуют два обстоятельства: с одной стороны интуитивное желание избавиться от логарифмов, с другой стороны – наличие выражения , являющегося дифференциалом функции
. Но так же как и в предыдущих примерах, в замену лучше включить и сопутствующие логарифму константы:

е) Здесь, так же как и в предыдущем примере, интуитивное желание избавиться от громоздкого показателя в подынтегральной функции согласуется с известным фактом:
(формула 8 таблицы 3). Поэтому имеем:

Замена переменных для некоторых классов функций

Рассмотрим некоторые классы функций, для которых могут быть рекомендованы определенные подстановки.

Таблица 4. Рациональные функции

Вид интеграла	Способ интегрирования
1.1.
1.2.
1.3.	Выделение полного квадрата:
1.4.	Рекуррентная формула

Трансцендентные функции:

1.5.
– подстановка t = e x ;

1.6.
– подстановка t = log a x .

Пример 2. Найти интегралы от рациональных функций:

а)
; б)
;

в)
; д)
.

Решение.

а) Этот интеграл нет необходимости вычислять с помощью замены переменных, здесь проще использовать подведение под знак дифференциала:

б) Аналогично, используем подведение под знак дифференциала:

;

в) Перед нами интеграл типа 1.3 таблицы 4, воспользуемся соответствующими рекомендациями:

д) Аналогично предыдущему примеру:

Пример 3. Найти интегралы

а)
; б)
.

Решение.

б) Подынтегральное выражение содержит логарифм, поэтому воспользуемся рекомендацией 1.6. Только в данном случае удобнее заменить не просто функцию
, а все подкоренное выражение:

Таблица 6. Тригонометрические функции (R

Вид интеграла	Способ интегрирования
3.1.	Универсальная подстановка , , ,
3.1.1. , если	Подстановка
3.1.2. , если	Подстановка .
3.1.3. . , если (т.е. есть только четные степени функций )	Подстановка
3.2.	Если – нечетное, то см. 3.1.1; если – нечетное, то см. 3.1.2; если – четное, то см. 3.1.3; если – четные, то использовать формулы понижения степени ,
3.3. , ,	Использовать формулы

Пример 4. Найти интегралы:

а)
; б)
; в)
; д)
.

Решение.

а) Здесь интегрируем тригонометрическую функцию. Применим универсальную подстановку (таблица 6, 3.1):

б) Здесь также применим универсальную подстановку:

Заметим, что в рассмотренном интеграле замену переменных пришлось применить дважды.

в) Вычисляем аналогично:

д) Рассмотрим два приема вычисления данного интеграла.

Как видим, получили разные функции-первообразные. Это не означает, что один из использованных приемов дает неверный результат. Дело в том, что используя известные тригонометрические тождества, связывающие тангенс половинного угла с тригонометрическими функциями полного угла, имеем

Таким образом, найденные первообразные совпадают друг с другом.

Пример 5. Найти интегралы:

а)
; б)
; в)
; г)
.

Решение.

а) В этом интеграле тоже можно применить универсальную подстановку
, но поскольку входящий в подынтегральную функцию косинус – в четной степени, то рациональнее использовать рекомендации пункта 3.1.3 таблицы 6:

б) Сначала приведем все тригонометрические функции, входящие в подынтегральное выражение к одному аргументу:

В полученном интеграле можно применить универсальную подстановку, но замечаем, что подынтегральная функция не меняет знак при изменении знаков синуса и косинуса:

Следовательно, функция обладает свойствами, указанными в пункте 3.1.3 таблицы 6, поэтому наиболее удобной будет подстановка
. Имеем:

в) Если в заданной подынтегральной функции поменять знак у косинуса, то вся функция поменяет знак:

Значит, подынтегральная функция обладает свойством, описанным в пункте 3.1.2. Следовательно, рационально воспользоваться подстановкой
. Но прежде, как и в предыдущем примере, преобразуем подынтегральную функцию:

г) Если в заданной подынтегральной функции поменять знак у синуса, то вся функция поменяет знак, значит, имеем случай, описанный в пункте 3.1.1 таблицы 6, поэтому новой переменной нужно обозначить функцию
. Но поскольку в подынтегральном выражении не наблюдается ни наличия функции
, ни ее дифференциала, предварительно преобразуем:

Пример 6. Найти интегралы:

а)
; б)
;

в)
г)
.

Решение.

а) Данный интеграл относится к интегралам вида 3.2 таблицы 6. Поскольку синус в нечетной степени, то согласно рекомендациям, удобно заменить функцию
. Но сначала преобразуем подынтегральную функцию:

б) Данный интеграл относится к тому же типу, что и предыдущий, но здесь функции
и
имеют четные степени, поэтому нужно применить формулы понижения степени:
,
. Получим:

в) Преобразуем функцию:

г) Согласно рекомендациям 3.1.3 таблицы 6, в данном интеграле удобно сделать замену
. Получим:

Таблица 5. Иррациональные функции (R – рациональная функция своих аргументов)

Вид интеграла	Способ интегрирования
	Подстановка , где k – общий знаменатель дробей …, .
	Подстановка , где k –общий знаменатель дробей …,
2.3.	Подстановка, , где k – общий знаменатель дробей-показателей …,
2.4.	Подстановка .
2.5.	Подстановка ,
2.6.	Подстановка , .
2.7.	Подстановка , .
2.8. (дифференциальный бином ), интегрируется только в трех случаях: а) р – целое (подстановка х = t k , где k – общий знаменатель дробей т и п ); б) – целое (замена = t k , где k –знаменатель дроби р ); в) – целое (замена = t k , где k –знаменатель дроби р ).

Пример 7. Найти интегралы:

а)
; б)
; в)
.

Решение.

а) Данный интеграл можно отнести к интегралам вида 2.1, поэтому выполним соответствующую подстановку. Напомним, что смысл замены в этом случае состоит в том, чтобы избавиться от иррациональности. А это означает, что заменить следует подкоренное выражение такой степенью новой переменной, из которой извлекались бы все имеющиеся под интегралом корни. В нашем случае это, очевидно :

Под интегралом получилась неправильная рациональная дробь. Интегрирование таких дробей предполагает, прежде всего, выделение целой части. Поэтому разделим числитель на знаменатель:

Тогда получаем
, отсюда

Вычислить заданный интеграл непосредственным интегрированием

удаётся не всегда. Одним из наиболее эффективных приёмов

является метод подстановки или замены переменной интегрирования.

Сущность этого метода заключается в том, что путём введения новой переменной интегрирования удаётся свести заданный интеграл к

новому интегралу, который берётся непосредственным интегрированием.

Рассмотрим этот метод:

Пусть - непрерывная функция

необходимо найти: (1)

Сделаем замену переменной интегрирования:

где φ (t) – монотонная функция, которая имеет непрерывную производную

и существует сложная функция f (φ (t)).

Применив к F (х) = F(φ (t)) формулу дифференцирования сложной

функции, получим:

﴾F (φ (t))﴿′ = F′(x) ∙ φ′ (t)

Но F′(x) = f (x) = f (φ (t)), поэтому

﴾F (φ (t))﴿′ = f (φ (t)) ∙ φ′ (t) (3)

Таким образом, функция F(φ (t)) является первообразной для функции

f (φ (t)) ∙ φ′ (t), поэтому:

∫ f (φ (t)) ∙ φ′ (t) dt = F (φ (t)) + C (4)

Учитывая, что F (φ (t)﴿ = F (x), из (1) и (4) следует формула замены

переменной в неопределённом интеграле:

∫ f (x)dx = ∫ f(φ (t)) φ′ (t)dt (5)

Формально формула (5) получается заменой х на φ (t) и dх на φ′ (t)dt

В полученном после интегрирования по формуле (5) результате следует

перейти снова к переменной х. Это всегда возможно, так как по предпо-

ложению функция х = φ (t) монотонна.

Удачный выбор подстановки обычно представляет известные труд-

ности. Для их преодоления необходимо овладеть техникой дифферен-

цирования и хорошо знать табличные интегралы.

Но все же можно установить ряд общих правил и некоторых приемов

интегрирования.

Правила интегрирования способом подстановки:

1. Определяют, к какому табличному интегралу приводится данный интеграл (предварительно преобразовав подинтегральное выражение, если нужно).

2. Определяют, какую часть подинтегральной функции нужно заменить

новой переменной, и записывают эту замену.

3. Находят дифференциалы обеих частей записи и выражают дифферен-

циал старой переменной (или выражение, содержащее этот диффе-

ренциал) через дифференциал новой переменной.

4. Производят замену под интегралом.

5. Находят полученный интеграл.

6. В результате переходят к старой переменной.

Примеры решения интегралов способом подстановки:

1. Найти: ∫ х²(3+2х ) dx

Решение:

сделаем подстановку 3+2х = t

Найдём дифференциал обеих частей подстановки:

6x dx = dt, откуда

Следовательно:

∫ x (3+2x ) dx = ∫ t ∙ dt = ∫ t dt = ∙ + C = t + C

Заменив t на его выражение из подстановки, получим:

∫ x (3+2x ) dx = (3+2x ) + С

Решение:

= = ∫ е = е + C = е + C

Решение:

Понятие определённого интеграла.

Разность значений для любой первообразной функции при изменении аргумента от до называется определенный интегралом этой функции в пределах от а до b и обозначается:

а и b называются нижним и верхним пределами интегрирования.

Чтобы вычислить определенный интеграл нужно:

1. Найти соответствующий неопределенный интеграл

2. Подставить в полученное выражение вместо х сначала верхний предел интегрирования в, а затем нижний – а.

3. Из первого результата подстановки вычесть второй.

Коротко это правило записывается в виде формул так:

Эта формула называется формулой Ньютона - Лейбница.

Основные свойства определенного интеграла:

1. , где K=const

3. Если , то

4. Если функция неотрицательна на отрезке , где , то

При замене в определенном интеграле старой переменной интегрирования на новую необходимо старые пределы интегрирования заменить новыми. Эти новые пределы определяются выбранной подстановкой.

Применение определённого интеграла.

Площадь криволинейной трапеции ограниченной кривой , осью абсцисс и двумя прямыми и вычисляется по формуле:

Объем тела, образованного вращением вокруг оси абсцисс криволинейной трапеции, ограниченной кривой , не меняющей свой знак на , осью абсцисс и двумя прямыми и вычисляется по формуле:

С помощью определенного интеграла можно решать и ряд физических задач.

Например:

Если скорость прямолинейно движущегося тела является известной функцией времени t, то путь S, пройденный этим телом с момента времени t = t 1 до момента времени t = t 2 определяется формулой:

Если переменная сила является известной функцией пути S (при этом предполагается, что направление силы не меняется) то работа А, совершаемая этой силой на пути от до определяется формулой:

Примеры:

1. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями:

y = ; y = (x-2) 2 ; 0x.

Решение:

а) Построим графики функций: y = ; y = (x-2) 2

б) Определим фигуру, площадь которой нужно вычислить.

в) Определим пределы интегрирования, решая уравнение: = (x-2) 2 ; x = 1 ;

г) Вычисляем площадь заданной фигуры:

S = dx + 2 dx = 1 ед 2

2. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями:

Y = x 2 ; x = y 2 .

Решение:

x 2 = ; x 4 = x ;

x (x 3 – 1) = 0

x 1 = 0 ; x 2 = 1

S = - x 2) dx = ( x 3\2 - ) │ 0 1 = ед 2

3. Вычислить объём тела, полученного вращением вокруг оси 0x фигуры, ограниченной линиями: y = ; x = 1 .

Решение:

V = π dx = π ) 2 dx = π = π │ = π/2 ед. 3

Домашняя контрольная работа по математике
Варианты заданий.

Вариант №1

y = (x + 1) 2 ; y = 1 – x ; 0x

Вариант № 2