ВУЗ:
Рубрика:
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