Решение интегралов методом замены переменной и интегрированием по частям
Привет! Отлично, вижу задания на интегрирование. Давай начнем с первого.
Задание 1
a) \(\int \frac{x}{\sqrt{4-x^2}} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная подкоренного выражения близка к числителю. Сделаем замену:
\(t = 4 - x^2\)
\(dt = -2x \, dx\)
\(x \, dx = -\frac{1}{2} dt\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{x}{\sqrt{4-x^2}} dx = \int \frac{-\frac{1}{2} dt}{\sqrt{t}} = -\frac{1}{2} \int t^{-1/2} dt\)
3. Вычислим интеграл:\(-\frac{1}{2} \int t^{-1/2} dt = -\frac{1}{2} \cdot \frac{t^{1/2}}{1/2} + C = -t^{1/2} + C = -\sqrt{t} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\sqrt{t} + C = -\sqrt{4-x^2} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{x}{\sqrt{4-x^2}} dx = -\sqrt{4-x^2} + C\)
Задание 1
б) \(\int \frac{2x-1}{x^2 - x + 1} dx\)
Решение:
- Заметим, что производная знаменателя близка к числителю. Найдем производную знаменателя: \((x^2 - x + 1)' = 2x - 1\).
-
Представим интеграл в виде:
\(\int \frac{2x-1}{x^2 - x + 1} dx = \int \frac{d(x^2 - x + 1)}{x^2 - x + 1}\)
3. Воспользуемся формулой \(\int \frac{du}{u} = \ln|u| + C\):\(\int \frac{d(x^2 - x + 1)}{x^2 - x + 1} = \ln|x^2 - x + 1| + C\)
Поскольку \(x^2 - x + 1 = (x - \frac{1}{2})^2 + \frac{3}{4} > 0\) при любом \(x\), модуль можно опустить.
Ответ:
\(\int \frac{2x-1}{x^2 - x + 1} dx = \ln(x^2 - x + 1) + C\)
Задание 1
в) \(\int \sqrt[3]{x} \ln x \, dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \ln x\), тогда \(du = \frac{1}{x} dx\).
Пусть \(dv = x^{1/3} dx\), тогда \(v = \int x^{1/3} dx = \frac{3}{4} x^{4/3}\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int x^{1/3} \ln x \, dx = \ln x \cdot \frac{3}{4} x^{4/3} - \int \frac{3}{4} x^{4/3} \cdot \frac{1}{x} dx = \frac{3}{4} x^{4/3} \ln x - \frac{3}{4} \int x^{1/3} dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл:\(\frac{3}{4} \int x^{1/3} dx = \frac{3}{4} \cdot \frac{3}{4} x^{4/3} + C = \frac{9}{16} x^{4/3} + C\)
4. Запишем окончательный ответ:\(\int x^{1/3} \ln x \, dx = \frac{3}{4} x^{4/3} \ln x - \frac{9}{16} x^{4/3} + C\)
Ответ:
\(\int \sqrt[3]{x} \ln x \, dx = \frac{3}{4} x^{4/3} \ln x - \frac{9}{16} x^{4/3} + C\)
Ассистент: Конечно, продолжим решать задания по порядку.
Задание 2
a) \(\int \sqrt{(2-x^2)^7} x \, dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная подкоренного выражения близка к множителю \(x\). Сделаем замену:
\(t = 2 - x^2\)
\(dt = -2x \, dx\)
\(x \, dx = -\frac{1}{2} dt\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \sqrt{(2-x^2)^7} x \, dx = \int \sqrt{t^7} \cdot (-\frac{1}{2}) dt = -\frac{1}{2} \int t^{7/2} dt\)
3. Вычислим интеграл:\(-\frac{1}{2} \int t^{7/2} dt = -\frac{1}{2} \cdot \frac{t^{9/2}}{9/2} + C = -\frac{1}{2} \cdot \frac{2}{9} t^{9/2} + C = -\frac{1}{9} t^{9/2} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{9} t^{9/2} + C = -\frac{1}{9} (2-x^2)^{9/2} + C\)
Ответ:
\(\int \sqrt{(2-x^2)^7} x \, dx = -\frac{1}{9} (2-x^2)^{9/2} + C\)
Задание 2
б) \(\int \frac{6x-7}{3x^2 - 7x + 11} dx\)
Решение:
- Заметим, что производная знаменателя близка к числителю. Найдем производную знаменателя: \((3x^2 - 7x + 11)' = 6x - 7\).
-
Представим интеграл в виде:
\(\int \frac{6x-7}{3x^2 - 7x + 11} dx = \int \frac{d(3x^2 - 7x + 11)}{3x^2 - 7x + 11}\)
3. Воспользуемся формулой \(\int \frac{du}{u} = \ln|u| + C\):\(\int \frac{d(3x^2 - 7x + 11)}{3x^2 - 7x + 11} = \ln|3x^2 - 7x + 11| + C\)
Поскольку \(3x^2 - 7x + 11 > 0\) при любом \(x\) (дискриминант отрицательный), модуль можно опустить.
Ответ:
\(\int \frac{6x-7}{3x^2 - 7x + 11} dx = \ln(3x^2 - 7x + 11) + C\)
Задание 2
в) \(\int \arctan{\sqrt{x}} \, dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \arctan{\sqrt{x}}\), тогда \(du = \frac{1}{1 + (\sqrt{x})^2} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}} dx = \frac{1}{2\sqrt{x}(1+x)} dx\).
Пусть \(dv = dx\), тогда \(v = x\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int \arctan{\sqrt{x}} \, dx = x \arctan{\sqrt{x}} - \int x \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}(1+x)} dx = x \arctan{\sqrt{x}} - \frac{1}{2} \int \frac{\sqrt{x}}{1+x} dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл. Сделаем замену \(t = \sqrt{x}\), тогда \(x = t^2\) и \(dx = 2t \, dt\):\(\frac{1}{2} \int \frac{\sqrt{x}}{1+x} dx = \frac{1}{2} \int \frac{t}{1+t^2} \cdot 2t \, dt = \int \frac{t^2}{1+t^2} dt = \int \frac{t^2 + 1 - 1}{1+t^2} dt = \int (1 - \frac{1}{1+t^2}) dt = t - \arctan{t} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(t - \arctan{t} + C = \sqrt{x} - \arctan{\sqrt{x}} + C\)
5. Запишем окончательный ответ:\(\int \arctan{\sqrt{x}} \, dx = x \arctan{\sqrt{x}} - (\sqrt{x} - \arctan{\sqrt{x}}) + C = (x+1) \arctan{\sqrt{x}} - \sqrt{x} + C\)
Ответ:
\(\int \arctan{\sqrt{x}} \, dx = (x+1) \arctan{\sqrt{x}} - \sqrt{x} + C\)
Ассистент: Продолжим решать задания по порядку.
Задание 3
a) \(\int \frac{\arcsin x}{\sqrt{1-x^2}} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная \(\arcsin x\) есть \(\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\). Сделаем замену:
\(t = \arcsin x\)
\(dt = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{\arcsin x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \int t \, dt\)
3. Вычислим интеграл:\(\int t \, dt = \frac{t^2}{2} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{t^2}{2} + C = \frac{(\arcsin x)^2}{2} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{\arcsin x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \frac{(\arcsin x)^2}{2} + C\)
Задание 3
б) \(\int \frac{12x+1}{6x^2 + x - 1} dx\)
Решение:
- Заметим, что производная знаменателя близка к числителю. Найдем производную знаменателя: \((6x^2 + x - 1)' = 12x + 1\).
-
Представим интеграл в виде:
\(\int \frac{12x+1}{6x^2 + x - 1} dx = \int \frac{d(6x^2 + x - 1)}{6x^2 + x - 1}\)
3. Воспользуемся формулой \(\int \frac{du}{u} = \ln|u| + C\):\(\int \frac{d(6x^2 + x - 1)}{6x^2 + x - 1} = \ln|6x^2 + x - 1| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{12x+1}{6x^2 + x - 1} dx = \ln|6x^2 + x - 1| + C\)
Задание 3
в) \(\int x \ln \frac{x}{x+1} dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \ln \frac{x}{x+1} = \ln x - \ln (x+1)\), тогда \(du = (\frac{1}{x} - \frac{1}{x+1}) dx = \frac{1}{x(x+1)} dx\).
Пусть \(dv = x \, dx\), тогда \(v = \int x \, dx = \frac{x^2}{2}\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int x \ln \frac{x}{x+1} dx = \frac{x^2}{2} \ln \frac{x}{x+1} - \int \frac{x^2}{2} \cdot \frac{1}{x(x+1)} dx = \frac{x^2}{2} \ln \frac{x}{x+1} - \frac{1}{2} \int \frac{x}{x+1} dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл:\(\int \frac{x}{x+1} dx = \int \frac{x+1-1}{x+1} dx = \int (1 - \frac{1}{x+1}) dx = x - \ln|x+1| + C\)
4. Запишем окончательный ответ:\(\int x \ln \frac{x}{x+1} dx = \frac{x^2}{2} \ln \frac{x}{x+1} - \frac{1}{2} (x - \ln|x+1|) + C = \frac{x^2}{2} \ln \frac{x}{x+1} - \frac{x}{2} + \frac{1}{2} \ln|x+1| + C\)
Ответ:
\(\int x \ln \frac{x}{x+1} dx = \frac{x^2}{2} \ln \frac{x}{x+1} - \frac{x}{2} + \frac{1}{2} \ln|x+1| + C\)
Ассистент: Продолжим решать задания по порядку.
Задание 4
a) \(\int e^{-x^2} x \, dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная показателя экспоненты близка к множителю \(x\). Сделаем замену:
\(t = -x^2\)
\(dt = -2x \, dx\)
\(x \, dx = -\frac{1}{2} dt\)
2. Подставим в интеграл:\(\int e^{-x^2} x \, dx = \int e^t \cdot (-\frac{1}{2}) dt = -\frac{1}{2} \int e^t dt\)
3. Вычислим интеграл:\(-\frac{1}{2} \int e^t dt = -\frac{1}{2} e^t + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{2} e^t + C = -\frac{1}{2} e^{-x^2} + C\)
Ответ:
\(\int e^{-x^2} x \, dx = -\frac{1}{2} e^{-x^2} + C\)
Задание 4
б) \(\int \frac{dx}{\sqrt{5-7x+3x^2}}\)
Решение:
-
Выделим полный квадрат в подкоренном выражении:
\(3x^2 - 7x + 5 = 3(x^2 - \frac{7}{3}x) + 5 = 3(x^2 - \frac{7}{3}x + (\frac{7}{6})^2) - 3(\frac{7}{6})^2 + 5 = 3(x - \frac{7}{6})^2 - \frac{49}{12} + \frac{60}{12} = 3(x - \frac{7}{6})^2 + \frac{11}{12}\)
2. Преобразуем интеграл:\(\int \frac{dx}{\sqrt{5-7x+3x^2}} = \int \frac{dx}{\sqrt{3(x - \frac{7}{6})^2 + \frac{11}{12}}} = \frac{1}{\sqrt{3}} \int \frac{dx}{\sqrt{(x - \frac{7}{6})^2 + \frac{11}{36}}}\)
3. Сделаем замену \(t = x - \frac{7}{6}\), тогда \(dt = dx\):\(\frac{1}{\sqrt{3}} \int \frac{dt}{\sqrt{t^2 + (\frac{\sqrt{11}}{6})^2}}\)
4. Воспользуемся формулой \(\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \ln|x + \sqrt{x^2 + a^2}| + C\):\(\frac{1}{\sqrt{3}} \int \frac{dt}{\sqrt{t^2 + (\frac{\sqrt{11}}{6})^2}} = \frac{1}{\sqrt{3}} \ln|t + \sqrt{t^2 + \frac{11}{36}}| + C\)
5. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{1}{\sqrt{3}} \ln|x - \frac{7}{6} + \sqrt{(x - \frac{7}{6})^2 + \frac{11}{36}}| + C = \frac{1}{\sqrt{3}} \ln|x - \frac{7}{6} + \sqrt{\frac{3x^2 - 7x + 5}{3}}| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{dx}{\sqrt{5-7x+3x^2}} = \frac{1}{\sqrt{3}} \ln|x - \frac{7}{6} + \sqrt{\frac{3x^2 - 7x + 5}{3}}| + C\)
Задание 4
в) \(\int \frac{\arcsin \sqrt{x}}{\sqrt{x}} dx\)
Решение:
-
Сделаем замену \(t = \sqrt{x}\), тогда \(x = t^2\) и \(dx = 2t \, dt\):
\(\int \frac{\arcsin \sqrt{x}}{\sqrt{x}} dx = \int \frac{\arcsin t}{t} \cdot 2t \, dt = 2 \int \arcsin t \, dt\)
2. Применим метод интегрирования по частям:\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \arcsin t\), тогда \(du = \frac{1}{\sqrt{1-t^2}} dt\).
Пусть \(dv = dt\), тогда \(v = t\).
3. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(2 \int \arcsin t \, dt = 2(t \arcsin t - \int \frac{t}{\sqrt{1-t^2}} dt)\)
4. Вычислим оставшийся интеграл. Сделаем замену \(z = 1 - t^2\), тогда \(dz = -2t \, dt\):\(- \int \frac{t}{\sqrt{1-t^2}} dt = \frac{1}{2} \int \frac{dz}{\sqrt{z}} = \sqrt{z} + C = \sqrt{1-t^2} + C\)
5. Запишем окончательный ответ:\(2(t \arcsin t + \sqrt{1-t^2}) + C = 2(\sqrt{x} \arcsin \sqrt{x} + \sqrt{1-x}) + C\)
Ответ:
\(\int \frac{\arcsin \sqrt{x}}{\sqrt{x}} dx = 2\sqrt{x} \arcsin \sqrt{x} + 2\sqrt{1-x} + C\)
Ассистент: Продолжим решать задания по порядку.
Задание 5
a) \(\int \frac{\ln^3 x}{x} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная \(\ln x\) есть \(\frac{1}{x}\). Сделаем замену:
\(t = \ln x\)
\(dt = \frac{1}{x} dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{\ln^3 x}{x} dx = \int t^3 \, dt\)
3. Вычислим интеграл:\(\int t^3 \, dt = \frac{t^4}{4} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{t^4}{4} + C = \frac{(\ln x)^4}{4} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{\ln^3 x}{x} dx = \frac{(\ln x)^4}{4} + C\)
Задание 5
б) \(\int \frac{(x+3)dx}{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}}\)
Решение:
-
Преобразуем числитель, чтобы выделить производную подкоренного выражения. Производная подкоренного выражения: \((4x^2 + 4x + 3)' = 8x + 4\). Выразим \(x+3\) через \(8x+4\):
\(x + 3 = A(8x + 4) + B\)
\(x + 3 = 8Ax + 4A + B\)\(8A = 1 \Rightarrow A = \frac{1}{8}\)
\(4A + B = 3 \Rightarrow 4(\frac{1}{8}) + B = 3 \Rightarrow B = 3 - \frac{1}{2} = \frac{5}{2}\)Таким образом, \(x + 3 = \frac{1}{8}(8x + 4) + \frac{5}{2}\)
2. Разделим интеграл на два:\(\int \frac{(x+3)dx}{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}} = \int \frac{\frac{1}{8}(8x + 4) + \frac{5}{2}}{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}} dx = \frac{1}{8} \int \frac{(8x + 4)dx}{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}} + \frac{5}{2} \int \frac{dx}{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}}\)
3. Вычислим первый интеграл. Сделаем замену \(t = 4x^2 + 4x + 3\), тогда \(dt = (8x + 4) dx\):\(\frac{1}{8} \int \frac{dt}{\sqrt{t}} = \frac{1}{8} \cdot 2\sqrt{t} + C_1 = \frac{1}{4} \sqrt{4x^2 + 4x + 3} + C_1\)
4. Вычислим второй интеграл. Выделим полный квадрат в подкоренном выражении:\(4x^2 + 4x + 3 = 4(x^2 + x) + 3 = 4(x^2 + x + \frac{1}{4}) - 4(\frac{1}{4}) + 3 = 4(x + \frac{1}{2})^2 + 2\)
\(\frac{5}{2} \int \frac{dx}{\sqrt{4(x + \frac{1}{2})^2 + 2}} = \frac{5}{2} \cdot \frac{1}{2} \int \frac{dx}{\sqrt{(x + \frac{1}{2})^2 + \frac{1}{2}}} = \frac{5}{4} \int \frac{dx}{\sqrt{(x + \frac{1}{2})^2 + (\frac{1}{\sqrt{2}})^2}}\)
Воспользуемся формулой \(\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a^2}} = \ln|x + \sqrt{x^2 + a^2}| + C\):
\(\frac{5}{4} \ln|x + \frac{1}{2} + \sqrt{(x + \frac{1}{2})^2 + \frac{1}{2}}| + C_2 = \frac{5}{4} \ln|x + \frac{1}{2} + \sqrt{\frac{4x^2 + 4x + 3}{4}}| + C_2 = \frac{5}{4} \ln|x + \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}}{2}| + C_2\)
5. Запишем окончательный ответ:\(\frac{1}{4} \sqrt{4x^2 + 4x + 3} + \frac{5}{4} \ln|x + \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}}{2}| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{(x+3)dx}{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}} = \frac{1}{4} \sqrt{4x^2 + 4x + 3} + \frac{5}{4} \ln|x + \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{4x^2 + 4x + 3}}{2}| + C\)
Задание 5
в) \(\int \arctan{\sqrt{x}} \, dx\)
Решение:
Это задание уже было решено ранее (Задание 2в).
Ассистент: Отлично, продолжим решать задания по порядку.
Задание 6
a) \(\int \frac{x^3}{\sqrt{1-x^2}} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная подкоренного выражения близка к числителю (если выделить \(x\)). Сделаем замену:
\(t = 1 - x^2\)
\(dt = -2x \, dx\)
\(x \, dx = -\frac{1}{2} dt\)Выразим \(x^2\) через \(t\): \(x^2 = 1 - t\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{x^3}{\sqrt{1-x^2}} dx = \int \frac{x^2 \cdot x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \int \frac{(1-t)}{\sqrt{t}} \cdot (-\frac{1}{2}) dt = -\frac{1}{2} \int \frac{1-t}{\sqrt{t}} dt = -\frac{1}{2} \int (t^{-1/2} - t^{1/2}) dt\)
3. Вычислим интеграл:\(-\frac{1}{2} \int (t^{-1/2} - t^{1/2}) dt = -\frac{1}{2} (2t^{1/2} - \frac{2}{3} t^{3/2}) + C = -t^{1/2} + \frac{1}{3} t^{3/2} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-(1-x^2)^{1/2} + \frac{1}{3} (1-x^2)^{3/2} + C = -\sqrt{1-x^2} + \frac{1}{3} (1-x^2)\sqrt{1-x^2} + C = \sqrt{1-x^2} (\frac{1}{3}(1-x^2) - 1) + C = \sqrt{1-x^2} (\frac{1}{3} - \frac{1}{3}x^2 - 1) + C = \sqrt{1-x^2} (-\frac{2}{3} - \frac{1}{3}x^2) + C = -\frac{1}{3} \sqrt{1-x^2} (2 + x^2) + C\)
Ответ:
\(\int \frac{x^3}{\sqrt{1-x^2}} dx = -\frac{1}{3} (x^2 + 2)\sqrt{1-x^2} + C\)
Задание 6
б) \(\int \frac{dx}{5x^2 - 2x + 1}\)
Решение:
-
Выделим полный квадрат в знаменателе:
\(5x^2 - 2x + 1 = 5(x^2 - \frac{2}{5}x) + 1 = 5(x^2 - \frac{2}{5}x + (\frac{1}{5})^2) - 5(\frac{1}{5})^2 + 1 = 5(x - \frac{1}{5})^2 - \frac{1}{5} + 1 = 5(x - \frac{1}{5})^2 + \frac{4}{5}\)
2. Преобразуем интеграл:\(\int \frac{dx}{5x^2 - 2x + 1} = \int \frac{dx}{5(x - \frac{1}{5})^2 + \frac{4}{5}} = \frac{1}{5} \int \frac{dx}{(x - \frac{1}{5})^2 + \frac{4}{25}}\)
3. Сделаем замену \(t = x - \frac{1}{5}\), тогда \(dt = dx\):\(\frac{1}{5} \int \frac{dt}{t^2 + (\frac{2}{5})^2}\)
4. Воспользуемся формулой \(\int \frac{dx}{x^2 + a^2} = \frac{1}{a} \arctan{\frac{x}{a}} + C\):\(\frac{1}{5} \int \frac{dt}{t^2 + (\frac{2}{5})^2} = \frac{1}{5} \cdot \frac{1}{\frac{2}{5}} \arctan{\frac{t}{\frac{2}{5}}} + C = \frac{1}{5} \cdot \frac{5}{2} \arctan{\frac{5t}{2}} + C = \frac{1}{2} \arctan{\frac{5t}{2}} + C\)
5. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{1}{2} \arctan{\frac{5(x - \frac{1}{5})}{2}} + C = \frac{1}{2} \arctan{\frac{5x - 1}{2}} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{dx}{5x^2 - 2x + 1} = \frac{1}{2} \arctan{\frac{5x - 1}{2}} + C\)
Задание 6
в) \(\int x \cdot \arctan x \, dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \arctan x\), тогда \(du = \frac{1}{1+x^2} dx\).
Пусть \(dv = x \, dx\), тогда \(v = \int x \, dx = \frac{x^2}{2}\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int x \arctan x \, dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \int \frac{x^2}{2} \cdot \frac{1}{1+x^2} dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2} \int \frac{x^2}{1+x^2} dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл:\(\int \frac{x^2}{1+x^2} dx = \int \frac{x^2 + 1 - 1}{1+x^2} dx = \int (1 - \frac{1}{1+x^2}) dx = x - \arctan x + C\)
4. Запишем окончательный ответ:\(\int x \arctan x \, dx = \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{1}{2} (x - \arctan x) + C = \frac{x^2}{2} \arctan x - \frac{x}{2} + \frac{1}{2} \arctan x + C = \frac{x^2 + 1}{2} \arctan x - \frac{x}{2} + C\)
Ответ:
\(\int x \arctan x \, dx = \frac{x^2 + 1}{2} \arctan x - \frac{x}{2} + C\)
Ассистент: Ассистент: Продолжим решать задания по порядку.
Задание 7
a) \(\int \frac{\cos x}{\sin^4 x} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная \(\sin x\) есть \(\cos x\). Сделаем замену:
\(t = \sin x\)
\(dt = \cos x \, dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{\cos x}{\sin^4 x} dx = \int \frac{1}{t^4} dt = \int t^{-4} dt\)
3. Вычислим интеграл:\(\int t^{-4} dt = \frac{t^{-3}}{-3} + C = -\frac{1}{3t^3} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{3t^3} + C = -\frac{1}{3\sin^3 x} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{\cos x}{\sin^4 x} dx = -\frac{1}{3\sin^3 x} + C\)
Задание 7
б) \(\int \frac{dx}{x^2 + 6x + 18}\)
Решение:
-
Выделим полный квадрат в знаменателе:
\(x^2 + 6x + 18 = (x^2 + 6x + 9) + 9 = (x + 3)^2 + 9\)
2. Преобразуем интеграл:\(\int \frac{dx}{x^2 + 6x + 18} = \int \frac{dx}{(x + 3)^2 + 9}\)
3. Сделаем замену \(t = x + 3\), тогда \(dt = dx\):\(\int \frac{dt}{t^2 + 9}\)
4. Воспользуемся формулой \(\int \frac{dx}{x^2 + a^2} = \frac{1}{a} \arctan{\frac{x}{a}} + C\):\(\int \frac{dt}{t^2 + 9} = \frac{1}{3} \arctan{\frac{t}{3}} + C\)
5. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{1}{3} \arctan{\frac{x+3}{3}} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{dx}{x^2 + 6x + 18} = \frac{1}{3} \arctan{\frac{x+3}{3}} + C\)
Задание 7
в) \(\int \frac{x}{\cos^2 x} dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = x\), тогда \(du = dx\).
Пусть \(dv = \frac{1}{\cos^2 x} dx\), тогда \(v = \int \frac{1}{\cos^2 x} dx = \tan x\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int \frac{x}{\cos^2 x} dx = x \tan x - \int \tan x \, dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл:\(\int \tan x \, dx = \int \frac{\sin x}{\cos x} dx = -\ln|\cos x| + C\)
4. Запишем окончательный ответ:\(\int \frac{x}{\cos^2 x} dx = x \tan x + \ln|\cos x| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{x}{\cos^2 x} dx = x \tan x + \ln|\cos x| + C\)
Ассистент: Ассистент: Конечно, давайте подробно разберем методы интегрирования: замену переменной и интегрирование по частям.
1. Метод замены переменной (Substitution)
Теория
Метод замены переменной, также известный как u-подстановка, используется для упрощения интегралов путем замены сложной функции на более простую. Основная идея заключается в том, чтобы найти подходящую замену, которая упростит интеграл до табличного или более легкого для вычисления.
Формула
\(\int f(g(x)) \cdot g'(x) \, dx = \int f(u) \, du\), где \(u = g(x)\) и \(du = g'(x) \, dx\)
Шаги применения
- Выбор замены: Определите функцию \(g(x)\), которую удобно заменить на новую переменную \(u\). Обычно выбирают функцию, производная которой присутствует в интеграле.
- Вычисление производной: Найдите производную \(g'(x)\) и выразите \(dx\) через \(du\): \(dx = \frac{du}{g'(x)}\).
- Подстановка: Замените \(g(x)\) на \(u\) и \(dx\) на \(\frac{du}{g'(x)}\) в исходном интеграле.
- Вычисление интеграла: Вычислите полученный интеграл относительно \(u\): \(\int f(u) \, du = F(u) + C\).
- Возврат к исходной переменной: Замените \(u\) на \(g(x)\) в полученном результате: \(F(u) + C = F(g(x)) + C\).
Примеры
Пример 1
\(\int 2x \cdot \cos(x^2) \, dx\)
- Выбор замены: \(u = x^2\)
- Вычисление производной: \(du = 2x \, dx\)
- Подстановка: \(\int \cos(u) \, du\)
- Вычисление интеграла: \(\sin(u) + C\)
- Возврат к исходной переменной: \(\sin(x^2) + C\)
Пример 2
\(\int \frac{e^x}{1 + e^x} \, dx\)
- Выбор замены: \(u = 1 + e^x\)
- Вычисление производной: \(du = e^x \, dx\)
- Подстановка: \(\int \frac{1}{u} \, du\)
- Вычисление интеграла: \(\ln|u| + C\)
- Возврат к исходной переменной: \(\ln|1 + e^x| + C\)
2. Метод интегрирования по частям (Integration by Parts)
Теория
Метод интегрирования по частям используется для интегрирования произведения двух функций. Он основан на правиле произведения для дифференцирования.
Формула
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Шаги применения
- Выбор \(u\) и \(dv\): Разделите интеграл на две части: \(u\) и \(dv\). Важно выбрать \(u\) так, чтобы её производная \(du\) упрощала интеграл, а \(dv\) должна быть легко интегрируемой.
- Вычисление \(du\) и \(v\): Найдите производную \(u\), чтобы получить \(du\), и найдите интеграл \(dv\), чтобы получить \(v\).
- Подстановка в формулу: Подставьте \(u\), \(v\), \(du\) и \(dv\) в формулу интегрирования по частям.
- Вычисление нового интеграла: Вычислите новый интеграл \(\int v \, du\). Если он проще исходного, метод был применен успешно.
- Запись ответа: Запишите окончательный ответ, добавив константу интегрирования \(C\).
Рекомендации по выбору \(u\)
-
LIATE: Используйте мнемоническое правило LIATE для выбора \(u\), где:
- L - Логарифмические функции
- I - Обратные тригонометрические функции
- A - Алгебраические функции
- T - Тригонометрические функции
- E - Экспоненциальные функции
Выбирайте \(u\) в соответствии с порядком LIATE. Например, если в интеграле есть логарифмическая и алгебраическая функции, выбирайте логарифмическую функцию в качестве \(u\).
Примеры
Пример 1
\(\int x \cdot e^x \, dx\)
- Выбор \(u\) и \(dv\):
- \(u = x\) (алгебраическая функция)
- \(dv = e^x \, dx\) (экспоненциальная функция)
- Вычисление \(du\) и \(v\):
- \(du = dx\)
- \(v = \int e^x \, dx = e^x\)
- Подстановка в формулу:
\(\int x \cdot e^x \, dx = x \cdot e^x - \int e^x \, dx\) - Вычисление нового интеграла:
\(\int e^x \, dx = e^x + C\) - Запись ответа:
\(\int x \cdot e^x \, dx = x e^x - e^x + C = e^x(x - 1) + C\)
Пример 2
\(\int \ln x \, dx\)
- Выбор \(u\) и \(dv\):
- \(u = \ln x\) (логарифмическая функция)
- \(dv = dx\)
- Вычисление \(du\) и \(v\):
- \(du = \frac{1}{x} dx\)
- \(v = \int dx = x\)
- Подстановка в формулу:
\(\int \ln x \, dx = x \ln x - \int x \cdot \frac{1}{x} dx\) - Вычисление нового интеграла:
\(\int dx = x + C\) - Запись ответа:
\(\int \ln x \, dx = x \ln x - x + C\)
Оба метода, замена переменной и интегрирование по частям, являются мощными инструментами для вычисления интегралов. Выбор метода зависит от структуры интеграла, и часто требуется практика, чтобы научиться эффективно их применять.
Ассистент: Ассистент: К сожалению, на предоставленных изображениях нет задания номер 8. Если вы предоставите текст или изображение задания, я с удовольствием помогу вам его решить.
Ассистент: Ассистент: Ассистент: Вы правы, на изображении есть задание 8. Прошу прощения за невнимательность. Давайте его решим.
Задание 8
a) \(\int 2x(x^2 + 1)^5 dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная выражения в скобках близка к множителю перед скобкой. Сделаем замену:
\(t = x^2 + 1\)
\(dt = 2x \, dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int 2x(x^2 + 1)^5 dx = \int t^5 dt\)
3. Вычислим интеграл:\(\int t^5 dt = \frac{t^6}{6} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{t^6}{6} + C = \frac{(x^2 + 1)^6}{6} + C\)
Ответ:
\(\int 2x(x^2 + 1)^5 dx = \frac{(x^2 + 1)^6}{6} + C\)
Задание 8
б) \(\int \frac{(x-3)dx}{3 + 66x - 11x^2}\)
Решение:
-
Преобразуем числитель, чтобы выделить производную знаменателя. Производная знаменателя: \((3 + 66x - 11x^2)' = 66 - 22x\). Выразим \(x-3\) через \(66-22x\):
\(x - 3 = A(66 - 22x) + B\)
\(x - 3 = 66A - 22Ax + B\)\(-22A = 1 \Rightarrow A = -\frac{1}{22}\)
\(66A + B = -3 \Rightarrow 66(-\frac{1}{22}) + B = -3 \Rightarrow -3 + B = -3 \Rightarrow B = 0\)Таким образом, \(x - 3 = -\frac{1}{22}(66 - 22x)\)
2. Преобразуем интеграл:\(\int \frac{(x-3)dx}{3 + 66x - 11x^2} = \int \frac{-\frac{1}{22}(66 - 22x)}{3 + 66x - 11x^2} dx = -\frac{1}{22} \int \frac{(66 - 22x)dx}{3 + 66x - 11x^2}\)
3. Сделаем замену \(t = 3 + 66x - 11x^2\), тогда \(dt = (66 - 22x) dx\):\(-\frac{1}{22} \int \frac{dt}{t} = -\frac{1}{22} \ln|t| + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{22} \ln|3 + 66x - 11x^2| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{(x-3)dx}{3 + 66x - 11x^2} = -\frac{1}{22} \ln|3 + 66x - 11x^2| + C\)
Задание 8
б) \(\int \frac{(x-3)dx}{3 + 66x - 11x^2}\)
Решение:
-
Преобразуем числитель, чтобы выделить производную знаменателя. Производная знаменателя: \((3 + 66x - 11x^2)' = 66 - 22x\). Выразим \(x-3\) через \(66-22x\):
\(x - 3 = A(66 - 22x) + B\)
\(x - 3 = 66A - 22Ax + B\)\(-22A = 1 \Rightarrow A = -\frac{1}{22}\)
\(66A + B = -3 \Rightarrow 66(-\frac{1}{22}) + B = -3 \Rightarrow -3 + B = -3 \Rightarrow B = 0\)Таким образом, \(x - 3 = -\frac{1}{22}(66 - 22x)\)
2. Преобразуем интеграл:\(\int \frac{(x-3)dx}{3 + 66x - 11x^2} = \int \frac{-\frac{1}{22}(66 - 22x)}{3 + 66x - 11x^2} dx = -\frac{1}{22} \int \frac{(66 - 22x)dx}{3 + 66x - 11x^2}\)
3. Сделаем замену \(t = 3 + 66x - 11x^2\), тогда \(dt = (66 - 22x) dx\):\(-\frac{1}{22} \int \frac{dt}{t} = -\frac{1}{22} \ln|t| + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{22} \ln|3 + 66x - 11x^2| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{(x-3)dx}{3 + 66x - 11x^2} = -\frac{1}{22} \ln|3 + 66x - 11x^2| + C\)
Задание 8
в) \(\int \frac{\cos x}{\sin^2 x} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная \(\sin x\) есть \(\cos x\). Сделаем замену:
\(t = \sin x\)
\(dt = \cos x \, dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{\cos x}{\sin^2 x} dx = \int \frac{1}{t^2} dt = \int t^{-2} dt\)
3. Вычислим интеграл:\(\int t^{-2} dt = \frac{t^{-1}}{-1} + C = -\frac{1}{t} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{t} + C = -\frac{1}{\sin x} + C = -\csc x + C\)
Ответ:
\(\int \frac{\cos x}{\sin^2 x} dx = -\frac{1}{\sin x} + C = -\csc x + C\)
Теперь все задания решены. Если у вас есть еще вопросы, не стесняйтесь спрашивать!
Ассистент: Ассистент: Ассистент: Ассистент: Хорошо, давайте решим задания 6 и 7, которые вы указали на новом изображении.
Задание 6
a) \(\int \frac{\sin x}{\sqrt[3]{2 + 3\cos x}} dx\)
Решение:
-
Заметим, что производная выражения под корнем близка к числителю. Сделаем замену:
\(t = 2 + 3\cos x\)
\(dt = -3\sin x \, dx\)
\(\sin x \, dx = -\frac{1}{3} dt\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{\sin x}{\sqrt[3]{2 + 3\cos x}} dx = \int \frac{-\frac{1}{3} dt}{\sqrt[3]{t}} = -\frac{1}{3} \int t^{-1/3} dt\)
3. Вычислим интеграл:\(-\frac{1}{3} \int t^{-1/3} dt = -\frac{1}{3} \cdot \frac{t^{2/3}}{2/3} + C = -\frac{1}{3} \cdot \frac{3}{2} t^{2/3} + C = -\frac{1}{2} t^{2/3} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(-\frac{1}{2} t^{2/3} + C = -\frac{1}{2} (2 + 3\cos x)^{2/3} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{\sin x}{\sqrt[3]{2 + 3\cos x}} dx = -\frac{1}{2} (2 + 3\cos x)^{2/3} + C\)
Задание 6
б) \(\int \frac{(6x+1)dx}{3x^2 + x - 1}\)
Решение:
-
Заметим, что производная знаменателя близка к числителю. Сделаем замену:
\(t = 3x^2 + x - 1\)
\(dt = (6x + 1) dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{(6x+1)dx}{3x^2 + x - 1} = \int \frac{dt}{t}\)
3. Вычислим интеграл:\(\int \frac{dt}{t} = \ln|t| + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(\ln|t| + C = \ln|3x^2 + x - 1| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{(6x+1)dx}{3x^2 + x - 1} = \ln|3x^2 + x - 1| + C\)
Задание 6
в) \(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \ln(1 + x^2)\), тогда \(du = \frac{2x}{1+x^2} dx\).
Пусть \(dv = x^3 dx\), тогда \(v = \int x^3 dx = \frac{x^4}{4}\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \int \frac{x^4}{4} \cdot \frac{2x}{1+x^2} dx = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \frac{1}{2} \int \frac{x^5}{1+x^2} dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл:\(\int \frac{x^5}{1+x^2} dx = \int \frac{x^5 + x^3 - x^3}{1+x^2} dx = \int (x^3 - \frac{x^3}{1+x^2}) dx = \int (x^3 - \frac{x^3 + x - x}{1+x^2}) dx = \int (x^3 - x + \frac{x}{1+x^2}) dx = \frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} + \frac{1}{2} \ln(1+x^2) + C\)
4. Запишем окончательный ответ:\(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \frac{1}{2} (\frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} + \frac{1}{2} \ln(1+x^2)) + C = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \frac{x^4}{8} + \frac{x^2}{4} - \frac{1}{4} \ln(1+x^2) + C = (\frac{x^4}{4} - \frac{1}{4}) \ln(1 + x^2) - \frac{x^4}{8} + \frac{x^2}{4} + C\)
Ответ:
\(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx = \frac{1}{4}(x^4 - 1) \ln(1 + x^2) - \frac{x^4}{8} + \frac{x^2}{4} + C\)
Задание 6
б) \(\int \frac{(6x+1)dx}{3x^2 + x - 1}\)
Решение:
-
Заметим, что производная знаменателя близка к числителю. Сделаем замену:
\(t = 3x^2 + x - 1\)
\(dt = (6x + 1) dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{(6x+1)dx}{3x^2 + x - 1} = \int \frac{dt}{t}\)
3. Вычислим интеграл:\(\int \frac{dt}{t} = \ln|t| + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(\ln|t| + C = \ln|3x^2 + x - 1| + C\)
Ответ:
\(\int \frac{(6x+1)dx}{3x^2 + x - 1} = \ln|3x^2 + x - 1| + C\)
Задание 6
в) \(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx\)
Решение:
-
Применим метод интегрирования по частям:
\(\int u \, dv = uv - \int v \, du\)
Пусть \(u = \ln(1 + x^2)\), тогда \(du = \frac{2x}{1+x^2} dx\).
Пусть \(dv = x^3 dx\), тогда \(v = \int x^3 dx = \frac{x^4}{4}\).
2. Подставим в формулу интегрирования по частям:\(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \int \frac{x^4}{4} \cdot \frac{2x}{1+x^2} dx = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \frac{1}{2} \int \frac{x^5}{1+x^2} dx\)
3. Вычислим оставшийся интеграл:\(\int \frac{x^5}{1+x^2} dx = \int \frac{x^5 + x^3 - x^3}{1+x^2} dx = \int (x^3 - \frac{x^3}{1+x^2}) dx = \int (x^3 - \frac{x^3 + x - x}{1+x^2}) dx = \int (x^3 - x + \frac{x}{1+x^2}) dx = \frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} + \frac{1}{2} \ln(1+x^2) + C\)
4. Запишем окончательный ответ:\(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \frac{1}{2} (\frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} + \frac{1}{2} \ln(1+x^2)) + C = \frac{x^4}{4} \ln(1 + x^2) - \frac{x^4}{8} + \frac{x^2}{4} - \frac{1}{4} \ln(1+x^2) + C = (\frac{x^4}{4} - \frac{1}{4}) \ln(1 + x^2) - \frac{x^4}{8} + \frac{x^2}{4} + C\)
Ответ:
\(\int x^3 \ln(1 + x^2) dx = \frac{1}{4}(x^4 - 1) \ln(1 + x^2) - \frac{x^4}{8} + \frac{x^2}{4} + C\)
Задание 7
a) \(\int \frac{dx}{\cos^2 x \sqrt{\tan x - 1}}\)
Решение:
-
Заметим, что производная \(\tan x\) есть \(\frac{1}{\cos^2 x}\). Сделаем замену:
\(t = \tan x - 1\)
\(dt = \frac{1}{\cos^2 x} dx\)
2. Подставим в интеграл:\(\int \frac{dx}{\cos^2 x \sqrt{\tan x - 1}} = \int \frac{dt}{\sqrt{t}} = \int t^{-1/2} dt\)
3. Вычислим интеграл:\(\int t^{-1/2} dt = 2t^{1/2} + C = 2\sqrt{t} + C\)
4. Вернемся к исходной переменной:\(2\sqrt{t} + C = 2\sqrt{\tan x - 1} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{dx}{\cos^2 x \sqrt{\tan x - 1}} = 2\sqrt{\tan x - 1} + C\)
Задание 7
б) \(\int \frac{dx}{3x^2 - 2x + 2}\)
Решение:
-
Выделим полный квадрат в знаменателе:
\(3x^2 - 2x + 2 = 3(x^2 - \frac{2}{3}x) + 2 = 3(x^2 - \frac{2}{3}x + (\frac{1}{3})^2) - 3(\frac{1}{3})^2 + 2 = 3(x - \frac{1}{3})^2 - \frac{1}{3} + 2 = 3(x - \frac{1}{3})^2 + \frac{5}{3}\)
2. Преобразуем интеграл:\(\int \frac{dx}{3x^2 - 2x + 2} = \int \frac{dx}{3(x - \frac{1}{3})^2 + \frac{5}{3}} = \frac{1}{3} \int \frac{dx}{(x - \frac{1}{3})^2 + \frac{5}{9}}\)
3. Сделаем замену \(t = x - \frac{1}{3}\), тогда \(dt = dx\):\(\frac{1}{3} \int \frac{dt}{t^2 + (\frac{\sqrt{5}}{3})^2}\)
4. Воспользуемся формулой \(\int \frac{dx}{x^2 + a^2} = \frac{1}{a} \arctan{\frac{x}{a}} + C\):\(\frac{1}{3} \int \frac{dt}{t^2 + (\frac{\sqrt{5}}{3})^2} = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{\frac{\sqrt{5}}{3}} \arctan{\frac{t}{\frac{\sqrt{5}}{3}}} + C = \frac{1}{3} \cdot \frac{3}{\sqrt{5}} \arctan{\frac{3t}{\sqrt{5}}} + C = \frac{1}{\sqrt{5}} \arctan{\frac{3t}{\sqrt{5}}} + C\)
5. Вернемся к исходной переменной:\(\frac{1}{\sqrt{5}} \arctan{\frac{3(x - \frac{1}{3})}{\sqrt{5}}} + C = \frac{1}{\sqrt{5}} \arctan{\frac{3x - 1}{\sqrt{5}}} + C\)
Ответ:
\(\int \frac{dx}{3x^2 - 2x + 2} = \frac{1}{\sqrt{5}} \arctan{\frac{3x - 1}{\sqrt{5}}} + C\)
Теперь все указанные задания решены. Если у вас есть еще вопросы, не стесняйтесь спрашивать!