Analiza matematyczna 1/Ćwiczenia 13: Całka nieoznaczona
13. Całka nieoznaczona
Ćwiczenie [Uzupelnij]
Obliczyć całki: i
Zauważyć, że oraz
Korzystając z tożsamości trygonometrycznych możemy policzyć całki z sumy oraz z różnicy funkcji i a mianowicie:
Dodając stronami powyższe równania i dzieląc przez 2, mamy
natomiast odejmując stronami i dzieląc przez 2, dostajemy
Ćwiczenie [Uzupelnij]
Obliczyć całki:
(1)
gdzie
(2)
gdzie oraz
(1)--(2) Pierwotną łatwo odgadnąć. Można też zastosować podstawienie
(1) Obliczamy całkę stosując podstawienie
(2) Zauważmy, że przypadek był rozwiązany w punkcie (1). Możemy więc założyć, że Obliczamy całkę stosując podstawienie
Ćwiczenie [Uzupelnij]
Obliczyć następujące całki z funkcji wymiernych:
(1)
(2)
(1)
Jaki jest związek licznika z pochodną mianownika?
Zastosować Zadanie Uzupelnic z.am1.c.14.010|(1).
(2)
Rozłożyć podcałkowe wyrażenie wymierne na ułamki proste
(patrz Twierdzenie Uzupelnic t.new.am1.w.13.0190|).
(1) Zauważmy, że
zatem możemy skorzystać z Zadania Uzupelnic z.am1.c.14.010|(1) otrzymując
(2) Ponieważ więc zgodnie z twierdzeniem o rozkładzie wyrażenia wymiernego na ułamki proste (patrz Twierdzenie Uzupelnic t.new.am1.w.13.0190|), szukamy rozkładu w postaci
Mnożąc obustronnie przez wspólny mianownik otrzymujemy
Ponieważ powyższa równość zachodzi dla dowolnego (jest to równość dwóch wielomianów), zatem podstawiając otrzymujemy Podstawiając to do równania, mamy
skąd
oraz
Dzieląc stronami przez , otrzymujemy
Ponownie wstawiając obliczamy Wstawiając obliczone do powyższej równości, mamy
skąd
dzieląc stronami przez , dostajemy Zatem szukanym rozkładem jest
Możemy teraz obliczyć całkę
W ostatniej równości dla uzyskania bardziej eleganckiego wyniku zastąpiliśmy stałą przez nową stałą gdyż zamiast napisaliśmy
Ćwiczenie [Uzupelnij]
(1)
Wyprowadzić wzór rekurencyjny na obliczanie całki
dla
Wypisać wzory na
(2)
Sprowadzić obliczanie całki z ułamka prostego postaci
(gdzie )
do całki z punktu (1).
(1) Dla całka jest nam znana. Dla przekształcić całkę w następujący sposób
Ostatni składnik policzyć całkując przez części,
traktując funkcję podcałkową jako iloczyn
(2)
Najpierw rozłożyć ułamek na sumę dwóch ułamków:
pierwszego, którego licznik jest pochodną
trójmianu z mianownika
i drugiego, którego licznik jest stały.
Do obliczenia całki z pierwszego ułamka wykorzystać Zadanie
Uzupelnic z.am1.c.14.010|(a).
Obliczenie całki z
drugiego z ułamków sprowadzić do punktu (1).
(1) Dla całka wynosi
Dla przekształcamy całkę w następujący sposób
Policzmy osobno ostatni składnik przez części. W tym celu wyznaczmy najpierw pierwotną funkcji przez podstawienie:
Powróćmy teraz do wyliczenia całki :
Wstawiając otrzymany wynik do wzoru na dostajemy
(2) Zapiszmy
Całkę znamy już z Zadania Uzupelnic z.am1.c.14.010|, a mianowicie:
Całkę sprowadzimy do całki z punktu (1) przez odpowiednie podstawienie
Ćwiczenie [Uzupelnij]
Obliczyć całkę
Dokonać dzielenia wielomianów, w celu przedstawienia funkcji podcałkowej jako sumy wielomianu oraz funkcji wymiernej właściwej (to znaczy takiej, gdzie stopień licznika jest mniejszy od stopnia mianownika). Rozłożyć funkcję wymierną na ułamki proste. Scałkować ułamki proste według metod z Zadania Uzupelnic z.am1.c.14.030|.
Ponieważ stopień mianownika nie jest większy od stopnia licznika, więc musimy najpierw wydzielić wielomiany w liczniku i mianowniku. Następnie dokonujemy rozkładu na ułamki proste. Było to już zrobione na wykładzie (patrz Przykład Uzupelnic p.new.am1.w.13.0200|). Mamy
Zatem nasza całka wynosi
Policzmy każdą z całek osobno według metody opisanej z Zadaniu Uzupelnic z.am1.c.14.030|.
Teraz z kolei mamy
oraz
zatem
Przechodząc do drugiej z całek, mamy
Ostatecznie dostajemy, że
Ćwiczenie [Uzupelnij]
Obliczyć całki:
(1)
(2)
(1)--(2) Wykorzystać metodę współczynników nieoznaczonych.
(1) Z metody współczynników nieoznaczonych wiemy, że całka nieoznaczona jest postaci:
Aby wyznaczyć i różniczkujemy stronami i dostajemy:
a mnożąc stronami przez dostajemy:
stąd i Ponadto obliczamy całkę
(2) Ponieważ
więc możemy policzyć ostatnią całkę metodą współczynników nieoznaczonych. Wiemy, że całka nieoznaczona jest postaci:
Aby wyznaczyć i różniczkujemy stronami i dostajemy:
a mnożąc stronami przez dostajemy:
stąd i Ponadto obliczamy całkę