1. Замена переменных в неопределенном интеграле
Если
,
то тогда
. (4.1)
Пусть требуется вычислить интеграл
Выбирая в качестве новой переменной функцию , такую что подынтегральное выражение представляется в виде
Цель данного приема состоит к переходу более удобной для интегрирования функции .
Пример. . Вводя
, получаем
2. Интегрирование по частям
Этот прием представляет сведение данного интеграла к интегралу
с помощью формулы
(4.2)
Этот прием ведет к цели, если находится легче, чем
.
Это правило хотя и имеет более ограниченную область применения по сравнению с заменой переменной, существует целый класс функций, который интегрируется именно с помощью этого метода. Сюда можно отнести:
где есть любое целое положительное число.
Применение формулы (4.2) предусматривает последовательное понижение степени до нулевой.
3. Интегрирование простых дробей
К простым дробям относятся
1) ; 2)
; 3)
; 4)
где - действительные числа,
. Кроме того, трехчлен
не имеет действительных корней, т.е.
Интегрирование (1) и (2) не представляет трудностей:
(4.3)
(4.4)
Для интегрирования дроби (3) применим метод замены переменной. Выделяя сначала из знаменателя полный квадрат
и прибегнув к подстановке
и обозначив
получаем
а сам интеграл
Возвращаясь обратно к переменной окончательно получаем:
(4.5)
Для случая (4) подстановка приводит
Первый интеграл вычисляется подстановкой ,
:
(4.6)
Второй интеграл вычисляется с помощью рекуррентной формулы
(4.7)
где
Формула (4.7) позволяет вычислить искомый интеграл для любого натурального индекса .
Так как при
то по формуле (4.7) найдем
и т.д.
4. Интегрирование дробно-рациональных функций
Дробно-рациональной функцией (дробью) называется выражение вида
где и
— многочлены степени
и
, не имеющие общих корней, т.е.
(4.8)
Дробь (4.8) называется правильной если ; неправильной в противном случае. Каждую неправильную дробь можно привести к правильной путем исключения целой части, интегрирование которой не представляет сложностей.
В курсе высшей алгебры доказывается важная теорема, о том, что любая правильная дробь (4.8) может быть представлена в виде конечного числа правильных дробей.
Если — корни уравнения
, а
— их соответствующие кратности, так что
то дробь (4.8) представляется в виде
(4.9)
где числители отдельных дробей определяются из системы линейных уравнений после приведения к общему знаменателю и приравнивания коэффициентов при одинаковых степенях с (метод неопределенных коэффициентов).
Если — простые корни уравнения
, т.е.
, то
Если некоторые корни уравнения мнимы, то, соединяя вместе элементарные дроби, соответствующие сопряженным корням, можно после некоторых преобразований соответствующие пары дробей представить в виде действительных дробей вида
.
и методом неопределенных коэффициентов найти неизвестные и
Таким образом, интегрирование правильной рациональной дроби приводится к интегралам вида
рассмотренных в предыдущем п.3.
5. Интегрирование некоторых выражений, содержащих радикалы
Интегралы вида
(4.10)
где — рациональные числа, приводятся к интегралам от рациональных функций подстановкой
(4.11)
где общий знаменатель дробей
.
Интегралы вида
(4.12)
(интегралы от биномиальных дифференциалов), где — действительные числа, а
— рациональные, выражаются в элементарных функциях только в следующих случаях:
а) когда — целое число; тогда этот интеграл имеет вид суммы интегралов (4.10);
б) когда — целое число; подстановкой; подстановкой
этот интеграл преобразуется к виду (4.10)
(4.13)
в) когда — целое число; при помощи той же подстановки
данный интеграл приводится к виду (4.10)
(4.14)
Рационализация подынтегрального выражения в интегралах вида
достигается с помощью, по крайней мере, одной из следующих трех подстановок, называемых подстановками Эйлера
а) при
;
б) при
;
в) при условии, что корни
и
уравнения
действительны.
6. Интегрирование тригонометрических выражений
Интегралы вида
(4.14)
могут быть всегда приведены к интегралам от рациональных функций при помощи подстановки
(4.15)
При этом функции подынтегрального выражения выражаются через новые переменные
;
;
(4.16)
Если при этом подынтегральная функция удовлетворяет соотношению
(4.17)
то выгодно применить подстановку . Например, с помощью этой подстановки интеграл
(4.18)
где — нечетное число, а
— четное, с соответствующей заменой
(4.19)
приводится к интегралу от рациональной функции.
Если эта функция удовлетворяет соотношению
(4.20)
то выгодно применить подстановку . Например, с помощью этой подстановки интеграл
(4.21)
где — четное число, а
— нечетное, с соответствующей заменой
(4.22)
приводится к интегралу от рациональной функции.
Если эта функция удовлетворяет соотношению
(4.23)
то выгодно применить подстановку . Например, с помощью этой подстановки интеграл
(4.24)
где — четные числа, с соответствующей заменой
;
;
(4.25)
приводится к интегралу от рациональной функции.
7. Интегрирование выражений, содержащих гиперболические функции
Интегралы вида
(4.26)
могут быть всегда приведены к интегралам от рациональных функций при помощи подстановки
(4.27)
При этом функции подынтегрального выражения выражаются через новые переменные
;
;
(4.22)