Интегральное исчисление - 25 стр.

UptoLike

ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ 25
Пример 30. Рассмотрим интеграл
Z
b
a
dx
p
(x a)(x b)
и подстановку x = a cos
2
t + b s in
2
t. Тогда α = 0, β =
π
2
, и мы получаем
Z
b
a
dx
p
(x a)(x b)
= 2
Z π
2
0
dt = π.
Пример 31. Интеграл
I =
Z
+
0
dx
1 + x
4
вычисляется следующим образом. Во-первых, сделаем подстановку x =
1
t
:
I =
Z
0
+
t
2
dt
1 + t
4
=
Z
0
+
t
2
dt
1 + t
4
.
Поэтому
I =
1
2
Z
+
0
(1 + x
2
) dx
1 + x
4
=
1
2
Z
+
0
(1 +
1
x
2
) dx
x
2
+
1
x
2
.
В последнем интеграле сделаем замену z = x
1
x
:
I =
1
2
Z
+
−∞
dz
z
2
+ 2
=
1
2
2
lim
x+
arctg
z
2
lim
x→−∞
arctg
z
2
=
π
2
2
.
Заметим, что в последнем примере были использованы не только подстановки, но и допол-
нительный приём. Такие приёмы называют искусственными, поскольку они выходят за рамки
стандартных, регулярных методов. Рассмотрим другие примеры подобного рода.
Искусственные приёмы.
Пример 32. В примере 29 мы показали, что интеграл
J =
Z
π
2
0
ln sin x dx
сходится. Теперь мы его вычислим. Для этого сделаем замену переменных x = 2t и получим
J = 2
Z
π
4
0
(ln 2 + ln sin t + ln cos t) dt =
π
2
ln 2 + 2
Z
π
4
0
ln sin t dt + 2
Z
π
4
0
ln cos t dt.
Сделав в последнем интеграле замену t =
π
2
u, мы приведём его к виду
R
π
2
π
4
ln sin t dt. Таким
образом,
J =
π
2
ln 2 + 2
Z
π
4
0
ln sin t dt +
Z
π
2
π
4
ln sin t dt =
π
2
ln 2 + 2J,
т.е.
Z
π
2
0
ln sin x dx =
π
2
ln 2.
Пример 33. Рассмотрим интеграл
K =
Z
+
0
e
x
2
dx. (75)
Этот интеграл играет чрезвычайно важную роль в теории вероятностей и математической ста-
тистике. Покажем, что он сходится. Для этого заметим, что функция (1 + t)e
t
при t (0, +)
строго меньше единицы. Полагая t = x
2
+ 1, получаем
0 < e
x
2
<
1
1 + x
2
.
                                          ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ                                         25

  Пример 30. Рассмотрим интеграл
                                             Z    b
                                                              dx
                                                      p
                                              a           (x − a)(x − b)
                                      2
и подстановку x =    a cos2 t   + b sin t. Тогда α = 0, β = π2 , и мы получаем
                                      Z b                      Z π
                                                dx                 2
                                          p                =2        dt = π.
                                       a    (x − a)(x − b)       0

  Пример 31. Интеграл                                 Z        +∞
                                                  dx
                                                 I=
                                          0     1 + x4
вычисляется следующим образом. Во-первых, сделаем подстановку x = 1t :
                                   Z 0             Z 0
                                         t2 dt          t2 dt
                             I =−             4
                                                =            4
                                                               .
                                    +∞ 1 + t        +∞ 1 + t
Поэтому
                           1 +∞ (1 + x2 ) dx      1 +∞ (1 + x12 ) dx
                            Z                       Z
                       I=                      =                     .
                           2 0      1 + x4        2 0       x2 + x12
В последнем интеграле сделаем замену z = x − x1 :
                  1 +∞ dz          1
                    Z
                                        lim arctg √z2 − lim arctg             √z             π
                                                                                    
              I=                = √                                                     =    √  .
                  2 −∞ z 2 + 2    2 2  x→+∞            x→−∞                     2           2 2

  Заметим, что в последнем примере были использованы не только подстановки, но и допол-
нительный приём. Такие приёмы называют искусственными, поскольку они выходят за рамки
стандартных, регулярных методов. Рассмотрим другие примеры подобного рода.
Искусственные приёмы.
  Пример 32. В примере 29 мы показали, что интеграл
                                        Z π
                                          2
                                   J=       ln sin x dx
                                                          0
сходится. Теперь мы его вычислим. Для этого сделаем замену переменных x = 2t и получим
               Z π                                                   Z π                   Z π
                   4                                      π              4                    4
          J =2       (ln 2 + ln sin t + ln cos t) dt = ln 2 + 2            ln sin t dt + 2      ln cos t dt.
                 0                                        2            0                    0
                                                                                                Rπ
Сделав в последнем интеграле замену t = π2 − u, мы приведём его к виду π2 ln sin t dt. Таким
                                                                                                  4
образом,
                                       Z π                  Z π
                            π              4                   2                π
                       J = ln 2 + 2           ln sin t dt +      ln sin t dt = ln 2 + 2J,
                            2            0                   π                   2
                                                             4
т.е.                                      Z π
                                              2                   π
                                                ln sin x dx = − ln 2.
                                            0                     2
  Пример 33. Рассмотрим интеграл
                                                      Z        +∞
                                                                       2
                                              K=                    e−x dx.                            (75)
                                                           0
Этот интеграл играет чрезвычайно важную роль в теории вероятностей и математической ста-
тистике. Покажем, что он сходится. Для этого заметим, что функция (1 + t)e−t при t ∈ (0, +∞)
строго меньше единицы. Полагая t = x2 + 1, получаем
                                            2      1
                                     0 < e−x <         .
                                                1 + x2