Алғашқы функция және анықталмаған интеграл. Интегралдау әдістері. Алгебра, 11 сынып, қосымша материал.

Указание

Представьте слагаемые в виде степеней:

Н.Д.Выск

Математический анализ Часть 2. Интегральное исчисление функций одной переменной. Обыкновенные дифференциальные уравнения

учебное пособие

МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского Кафедра «Высшая математика» 2011

Неопределенный интеграл

1.1.1. Первообразная. Неопределенный интеграл и его свойства. Табличные интегралы. Замена переменной и интегрирование по частям в неопределенном интеграле

Функция F(x) называется первообразной (для) функции f(x) на некотором множестве значений х, если F΄(x) = f(x) на этом множестве.

Теорема 1. Если функции F(x) и G(x) являются первообразными одной и той же функции f(x) на некотором множестве, то необходимым и достаточным условием этого является то, что G(x) = F(x) + C, где С – любая постоянная.

Доказательство.

Пусть F(x) - первообразная f(x), то есть F΄(x) = f(x). Тогда для любого

числа C (F(x) + C)΄= F΄(x) + C΄= F΄(x) + 0 = f(x), то есть F(x) + C - первообразная f(x).

Пусть F(x) и G(x) – две различные первообразные одной и той же функции f(x). Тогда (F(x) – G(x))΄= F΄(x) - G΄(x) = f(x) – f(x) = 0,

следовательно, F(x) – G(x) = C (по следствию из теоремы Лагранжа). Теорема доказана.

Таким образом, если функция на данном множестве имеет одну первообразную, то она имеет их бесконечно много, причем все они отличаются друг от друга постоянными слагаемыми.

Совокупность всех первообразных функции f(x) на

некотором множестве называется ее неопределенным интегралом.

Обозначение:f ( x )dxF ( x )C.

f(x) при этом называется подынтегральной функцией, а f(x)dx – подынтегральным выражением.

Свойства неопределенного интеграла

1. df ( x )dxd( F( x )C )F ( x )dxf ( x )dx.

2. dF( x )F ( x )dx	f ( x )dx F( x ) C.
3. ( f ( x ) g( x ))dx	f ( x )dx	g( x )dx.

Действительно,

( f ( x )g( x ))dxF ( x )G( x )C,

f ( x )dxg( x )dx F ( x ) C ₁ G( x ) C₂ .

Но, поскольку С₁+С₂ – произвольная постоянная, выражения в левой и правой частях равны.

4.kf ( x )dxkF ( x )C ₁k( F ( x )_k¹ ) k( F( x ) C ) k f ( x )dx.

Замечание. Все перечисленные свойства формулировались и доказывались в предположении, что на некотором множестве существуют первообразные функций f(x) и g(x), равные соответственно F(x) и G(x).

Табличные интегралы

Из определения первообразной и неопределенного интеграла следует, что таблицу основных интегралов можно получить из таблицы основных производных, считая производные табличных функций подынтегральными функциями, а сами функции – их первообразными.

x dx

ln|x|

a ^x dx

C , a

0, a

ln a

e ^x dx

e ^x

sin xdx

cos x

cos xdx

sin x

tgx

cos² x

ctgx

sin² x

shxdx

chx

chxdx

shx

thx

ch ² x

cthx

sh ² x

arctg

arcctg

x ²

a ²

arcsin

arccos

_a2 _x2

Можно добавить к этой таблице еще несколько формул, не следующих непосредственно из таблицы производных, но удобных для вычисления многих интегралов, а именно:

1 _ln x

x ²

a ²

ln|x

x ²

a ² | C.

x ²

a²

Доказательство справедливости этих формул предлагается провести самостоятельно.

Примеры.

3 _x

4 _x

2x 2

C ₁

x 3

C ₂

_x4

C₃

4 ₄

3 _x 2

x ³

xdx

sin ²

cos ²

tgx

^C1

- cos² x _cos2 _x ^dx

C ₂ tgx x

cos²

Замена переменной в неопределенном интеграле

Теорема 2. Пусть функция f(x) определена на множестве Х, а функция φ(t) –

на множестве Φ, причем ( t )			X		t	. Тогда, если функция f(x) имеет
первообразную F(x) на Х, а φ(t) дифференцируема на Φ, то
		f ( ( t )) ( t )dt				f ( x )dx.
Доказательство.
	d	F( ( t ))		dF d ( t )		f ( ( t )) ( t ),
	dt			d	dt

поэтому функция F(φ(t)) является первообразной функции f(φ(t)) φ΄(t). Следовательно,

f (( t ))( t )dtF(( t ))C.

С другой стороны, при x = φ(t)

f ( x )dxF (( t )C.

полученных формулах равны правые части, следовательно, равны и левые, что доказывает справедливость утверждения теоремы.

Замечание 1. Формулу

f (( t ))( t )dtf ( x )dx(1)

называют формулой интегрирования подстановкой.

Замечание 2. Часто удобно бывает использовать эту формулу «в обратную сторону»:

f ( x )dxf (( t ))( t )dt,(2)

то есть заменять переменную х функцией новой переменной t. Формула (2) носит название формулы интегрирования заменой переменной.

Формулы (1) и (2) показывают, что вид первообразной не изменяется при замене независимой переменной х на функцию φ(t), поэтому их называют формулами инвариантности интегрирования.

Примеры.

1. sin² t costdt		sin² t(sin t) dt
x²dx	x³	C	sin³ t	C.
	3		3

При этом была сделана подстановка x = sin t.

( t ² ) dt

t²

1 t

2 tdt 2

dt 2

2(ln|t| t ) C

t ²

2(ln

) C

ln x 2

Интеграл был вычислен с помощью замены переменной: x = t².

Формула интегрирования по частям

Теорема 3. Если функции u(x) и v(x) дифференцируемы на некотором промежутке, и на нем существует интеграл vdu, то на нем существует и

интегралudv, причем

udvuvvdu.

Доказательство.

d(uv) = vdu + udv, поэтому udv = d(uv) – vdu. Проинтегрируем обе части полученного равенства, учитывая, что

d( uv )uvC.

Тогда

udvd( uv )vduuvvdu,

что и требовалось доказать. Существование интеграла в левой части равенства следует из существования обоих интегралов в правой части.

Пример.

x cos xdxxd(sin x)

x sin xsin xdxx sin xcos xC.

Примеры решения задач

Задача 1.

Вычислить интеграл

1		1		1		dx.

	x		3 _x		4 _x

Решение

1		1		1			1		1		1
						dx	x	2	x	3	x	4	dx

	x		3 _x		4 _x

x ²

x ³

C 2 x

		3 ₃		4 ₄
Ответ: 2			x ²			x ³	C.
	x
		2			3

Задача 2.

Вычислить интеграл

x ³ x3 ^x 5	dx.
x

Указание

Разделите на знаменатель каждое слагаемое числителя по отдельности и найдите первообразные полученных функций.

Решение

x ³

x3 ^x

x ² 3^x

x³

3^x

5 ln|x| C.

x³

3^x

ln 3

Ответ:

5 ln|x|

ln 3

Задача 3.

Вычислить интеграл

( x	3)²	dx.
x( x²	9)

Указание

Раскройте скобки в числителе и сгруппируйте слагаемые так, чтобы каждое из них имело один общий множитель со знаменателем.

Решение

( x 3)²

x ²

6 x 9

x( x ² 9)

x( x²

( x ² 9) 6x

x ²

x( x ²

x( x²

1	6	1	dx ln\|x\| 6	1	arctg	x	C
x		x² 9		3
					3

ln|x| 2 arctg ^x₃C.

Ответ: ln|x| 2 arctg ^x₃C.

Задача 4.

Вычислить интеграл

2 cos 2x

_sin2 _x _cos2 _x ^dx^.

Указание

Воспользуйтесь формулами

cos 2 x

cos ² x

sin ² x

cos ² x 1.

Решение

2 cos 2 x

3 sin ² x 3 cos ² x 2 cos ² x

2 sin² x

sin ² x cos ² x

sin ² x cos² x

5 sin ² x

cos ² x

5 sin ² x

cos² x

sin ² x cos ²

sin ² x cos ² x

sin ²

x cos²

cos ² x

sin² x

5tgx

ctgx

Ответ: 5tgx

ctgx C.

Задача 5.

Вычислить интеграл

₂¹_xdx.

Указание

Сделайте замену:

tx.

Решение

Сделаем замену:

tx.

Тогда

2tdt

(2 t

2 t

2 t 4

d( t 2)

2 t

4 ln|t

2| C

4 ln|

2| C.

Ответ: 2

4 ln|

Задача 6.

Вычислить интеграл

arcsin³ x

dx.

x²

Указание

Воспользуйтесь тем, что

d(arcsin x).

_x2

Решение

arcsin³ x

1 x ²

x²

arcsin ³ xd(arcsin x )

arcsin x

t ³ dt

_t4

arcsin⁴ x

Ответ: ^arcsin⁴ ^xC.

Задача 7.

Вычислить интеграл

x ⁴³2 x ⁵3 dx.

Указание

Сделайте замену:

t2 x⁵3.

Решение

Сделаем замену:

2 x ⁵ 3, dt (2 x ⁵ 3) dx 10 x ⁴ dx.

Умножив и разделив подынтегральное выражение на 10, получим:

_x4 3 ₂ _x 5

3 dx

3 ₂ _x 5

3 10x ⁴ dx

1 ₃

t 2 x⁵

3 ₁

2 x

3 d(2 x

t 3 dt

(2 x ⁵

Ответ:

(2 x ⁵ 3) 3

Задача 8.

Вычислить интеграл

(3 x2)cos 4 xdx.

Указание

Примените формулу интегрирования по частям, u = 3x – 2.

Решение

Применим формулу интегрирования по частям. Пусть u = 3x – 2, тогда

cos 4xdx,

cos 4xdx

cos 4xd(4x)

sin 4x.

Следовательно,

(3 x

2) cos 4 xdx

(3 x

sin 4 x

sin 4 x d(3 x 2)

(3 x

2) sin 4 x

sin 4xdx

(3 x

2) sin 4 x

cos 4 x C.

Ответ:

(3 x

2) sin 4 x

cos 4 x

Задача 9.

Вычислить интеграл

x arctgx dx.

Указание

Примените формулу интегрирования по частям, u = arctgx.

Решение

arctgx ,

( arctgx ) dx

_x2

dv xdx ,

xdx

_x2

x arctgx dx

arctgx

x ²

x²

arctgx

x²

1 ( x²

x²

arctgx

x²

1 x²

arctgx

x²

arctgx

( x ²

1)arctgx

( x ²

Ответ:

1)arctgx

1.1.2. Комплексные числа, их изображение на плоскости.

Алгебраические операции над комплексными числами.

Комплексное сопряжение. Модуль и аргумент комплексного

числа. Алгебраическая и тригонометрическая формы комплексного числа. Корни из комплексных чисел.

Показательная функция комплексного аргумента. Формула Эйлера. Показательная форма комплексного числа

При изучении одного из основных приемов интегрирования: интегрирования рациональных дробей – требуется для проведения строгих доказательств рассматривать многочлены в комплексной области. Поэтому изучим предварительно некоторые свойства комплексных чисел и операций над ними.

Комплексным числом z называется упорядоченная пара действительных чисел (а,b) : z = (a,b) (термин «упорядоченная» означает, что

записи комплексного числа важен порядок чисел а и b: (a,b) не равно (b,a) ). При этом первое число а называется действительной частью комплексного числа z и обозначается a = Re z, а второе число b называется мнимой частью z: b = Im z.

Два комплексных числа z1 = (a1 , b1) и z2 = (a2 , b2 ) равны тогда и только тогда, когда у них равны действительные и мнимые части, то есть a1 = a2, b1 = b2.

Действия над комплексными числами

Суммой комплексных чисел z₁ = (a₁ , b₁) и z₂ = (a₂ , b₂ ) называется комплексное число z = (a,b) такое, что a = a₁ + a₂ , b = b₁ + b₂ .

Свойства сложения:

а) z₁ + z₂ = z₂ + z₁;

б) z₁ + (z₂ + z₃ ) = (z₁ + z₂ ) + z₃;

в) существует комплексное число 0 = (0,0): z + 0 = z для любого комплексного числа z.

Произведением комплексных чисел z₁ = (a₁ , b₁) и z₂ = (a₂ , b₂ ) называется комплексное число z = (a,b) такое, что a = a₁a₂ – b₁b₂ , b = a₁b₂ + a₂b₁ . Свойства умножения:

а) z₁z₂ = z₂z₁ ;

б) z₁ (z₂ z₃) = (z₁ z₂) z₃,

в) (z₁ + z₂) z₃ = z₁ z₃ + z₂ z₃ .

Замечание. Подмножеством множества комплексных чисел является множество действительных чисел, определяемых как комплексные числа вида (а,0). Можно убедиться, что при этом определение операций над комплексными числами сохраняет известные правила соответствующих операций над действительными числами. Кроме того, действительное число 1 = (1,0) сохраняет свое свойство при умножении на любое комплексное число: 1∙ z = z.

Комплексное число (0, b) называется чисто мнимым . В частности, число (0,1) называют мнимой единицей и обозначают символом i.

Свойства мнимой единицы:

i∙i=i² = -1;

чисто мнимое число (0,b) можно представить как произведение действительного числа (b,0) и i : (b,0) = b∙i.

Следовательно, любое комплексное число z = (a,b) можно представить в виде: (a,b) = (a,0) + (0,b) = a + ib.

Запись вида

z = a + ib(1)

называют алгебраической формой записи комплексного числа.

Замечание. Алгебраическая запись комплексных чисел позволяет производить операции над ними по обычным правилам алгебры. Комплексное число

zaib

называется комплексно сопряженным числу z = a + ib.

Вычитание комплексных чисел определяется как операция, обратная сложению: z =(a,b) называется разностью комплексных чисел z₁ = (a₁ , b₁) и

z₂ = (a₂ , b₂ ), если a = a₁ – a₂ , b = b₁ – b₂.

Деление комплексных чисел определяется как операция, обратная умножению: число z = a + ib называется частным от деления z₁ = a₁ + ib₁ и z₂ = a₂ + ib₂ (z₂ ≠ 0), если z₁ = z∙z₂. Следовательно, действительную и мнимую части частного можно найти из решения системы уравнений:

a₂ a – b₂ b = a₁ , b₂ a + a₂ b = b₁.

Геометрическая интерпретация комплексных чисел

Комплексное число z = (a,b) можно представить в виде точки на плоскости с координатами (a,b) или вектора с началом в начале координат и концом в точке (a,b).

_b (a,b)

| z |

ах

При этом модуль полученного вектора называется модулем комплексного числа, а угол, образованный вектором с положительным направлением оси абсцисс,- аргументом числа. Учитывая, что a = ρ cos φ, b = ρ sin φ, где ρ = | z | - модуль z, а φ = arg z – его аргумент, можно получить еще одну форму записи комплексного числа:

z = ρ (cos φ + isin φ) (2)

Запись такого вида называется тригонометрической формой записи комплексного числа.

В свою очередь, модуль и аргумент комплексного числа можно выразить через а и b:

a ² b ² , tg

Следовательно, аргумент комплексного числа определен не однозначно, а с точностью до слагаемого, кратного 2π.

Легко убедиться, что операция сложения комплексных чисел соответствует операции сложения векторов. Рассмотрим геометрическую интерпретацию умножения. Пусть

z₁	₁(cos	1	i sin	₁),	z₂		₂(cos		2	i sin	₂),
тогда
z z ₁	^z2	₁(cos ₁		i sin		1 ⁾	₂(cos		2	i sin	2 ⁾
	1	₂((cos		₁cos	2		sin	₁sin		₂)
	i(sin		₁cos ₂		cos ₁ sin ₂ ))
	1	₂(cos(		1	2 ⁾	i sin(

Следовательно, модуль произведения двух комплексных чисел равен произведению их модулей, а аргумент – сумме их аргументов. Соответственно, при делении модуль частного равен отношению модулей делимого и делителя, а аргумент – разности их аргументов.

Частным случаем операции умножения является возведение в степень:

z ⁿⁿ(cos ni sin n )

формула Муавра.

Используя полученные соотношения, перечислим основные свойства комплексно сопряженных чисел:

1. |z | |z|, arg zarg z.

zz |z|² .

z z.

^z1

^z2

2 ^.

z ₁

z ₂

2 ^.

z ₁ z ₂ z₁ z₂ .

7.( z ₁ / z ₂ )z₁ / z₂ .

Извлечение корня из комплексного числа

Комплексное число zⁿzназывается корнем n-й степени из z, еслиz =

z₁ⁿ.

Из определения следует, что

ⁿ^,1 _n ^.

Так как аргумент комплексного числа определен не однозначно, можно получить n различных значений для аргумента z₁:

2 k

k⁰_n^,

где φ₀ – одно из значений arg z, а k = 1, 2,…, n-1. Окончательно формулу,

задающую все значения

, можно записать в виде:

z z_k

(cos

i sin

2 k

1, 2,..., n

Пример.

Число z = 16 можно представить в тригонометрической форме следующим образом: z = 16(cos0 + isin0). Найдем все значения ⁴16 :

z ₀ 2(cos 0

i sin 0)

^z1

2(cos

i sin

)

2 i ,

z ₂

2(cos

i sin

)

^z3

2(cos

i sin

)

2 i.

Показательная форма комплексного числа

Введем еще одну форму записи комплексного числа. На множестве комплексных чисел существует связь между тригонометрическими и показательными функциями, задаваемая формулой Эйлера:

e ⁱcosi sin,

справедливость которой будет доказана в дальнейшем. Используя эту формулу, можно получить еще один вид комплексного числа:

zeⁱ .(3)

Запись такого вида называется показательной формой записи комплексного числа.

Представление (3) позволяет легко интерпретировать с геометрической точки зрения операции умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня, используя известные свойства показательной функции.

Примеры решения задач

Задача 1.

Для комплексных чисел z₁ = 3 – 2i и z₂ = 5 + 3i найти число, комплексно сопряженное числу z₁ + z₂.

Указание

^z1

^a1

b₁ i ,

^z2

^a2

b₂ i

^z1

^z2

( a ₁

a ₂ ) ( b₁ b₂ )i ;

bi.

Решение

z₁

z ₂

(3 5) ( 2 3)i 8 i,

( z₁

z ₂ )

Ответ: 8 – i.

Задача 2.

z₁

Для комплексных чисел z₁ = 4 – i и z₂ = 3 + 4i найти z

Указание

Умножьте числитель и знаменатель дроби

на выражение, сопряженное знаменателю.

				Решение
z	4	i	(4	i )(3	4 i )	12	19 i 4i²
1
z ₂	3	4 i	(3	4 i )(3	4 i )	9	16 i²
	12	19 i 4		8	19i	0, 32	0, 76 i.

		9	16	25

Ответ: 0,32 – 0,76i.

Задача 3.

Найти аргумент комплексного числа z = -1 – i.

Указание

Найдите угол, образованный вектором (-1,-1) и положительным направлением оси абсцисс.

Решение

-1_х

_z -1

Вектор (-1,-1) образует с осью Ох угол ⁵₄ , который является аргументом числа -1 – i.

Ответ: ⁵₄ .

Задача 4.

Найти модуль числа z₁z₂ + z₃, если z₁ = 1 – 5i, z₂ = 2 + i, z₃ = -4 + 5i.

Указание

Найдите действительную и мнимую части числа z₁z₂ + z₃ и воспользуйтесь формулой


		\|z\|		a ²		b² .
			Решение
z ₁ z ₂	(1	5 i )(2	i )	2		9 i 5 i ² 7 9 i ;
z ₁ z ₂	z ₃	(7 4) ( 9 5)i 3 4 i ;
	\|z ₁ z ₂		z₃ \|				5.
					9 16

Ответ: 5.

Задача 5.

Записать в тригонометрической форме число -4.

Указание

Рассмотрите на плоскости вектор (-4,0).

Решение

-4_х

Задачу можно решить, исходя из геометрических соображений: модуль вектора (-4,0) равен 4, а угол, который он образует с осью Ох, равен .

Следовательно, -4 = 4(cos+ i sin ).

Второй способ решения задачи:

4, b 0 |z| a ²

_b2

16 0

arg z

, cos

1, sin

4(cos

i sin

Ответ: 4 cosi sin.

Задача 6.

Вычислить

₃_i²⁰ _.

Указание

Представьте данное число в тригонометрической форме.

Решение

3 1

cos

i sin

;

_i20

2 ²⁰ cos

i sin

₂20

cos

i sin

₂20

cos

i sin

₂20

2 ¹⁹ ( 1 3 i ).

Ответ: 2 ¹⁹ ( 1 3 i ).

Задача 7.

Указать значение ⁶ 1 с наименьшей мнимой частью.

Указание

Представьте -1 в тригонометрической форме и найдите все 6 значений ⁶ 1.

Решение

1 cos(

n )

i sin(

n) .

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

cos

i sin

Среди найденных чисел наименьшую мнимую часть, равную -1, имеет число

–i.

Ответ: -i.

1.1.3. Многочлены и их корни. Теорема Безу. Основная теорема алгебры. Разложение многочлена на линейные множители в поле комплексных чисел. Простые и кратные корни многочлена. Разложение многочлена с действительными коэффициентами на линейные и квадратичные множители. Рациональные функции. Деление многочленов, выделение целой части рациональной функции. Правильные рациональные функции, их разложение на простейшие

Рассмотрим в комплексной области многочлен, то есть функцию вида P_n ( z ) a_n z ⁿ a_n ₁ z ⁿ ¹ ... a₁ z a₀ , ,

гдеa ₀ , a ₁ ,..., a _n , z- комплексные числа. Числаa ₀ , a ₁ ,..., a_nназываются

коэффициентами многочлена, а натуральное число n – его степенью. Два многочлена

P ( z )

_zn

_zn 1

... a

u Q ( z )

b z ^m

... b z

равны тогда и только тогда, когда m=n, a₀ = b₀ , a₁ = b₁ ,…, a_n = b_n .

Число z₀ называется корнем многочлена P_n (z), если P_n (z₀) = 0.

Теорема 1 (теорема Безу). Остаток от деления многочлена P_n(z) на z – z₀ ( z₀ – не обязательно корень многочлена) равен P(z₀). Доказательство.

Разделив P(z) на z – z₀ , получим: P(z) = Q(z)(z – z₀) + r, где число r – остаток от деления, а Q(z) – многочлен степени, меньшей n. При подстановке в это равенство z = z₀ найдем, что r = P(z₀), что и требовалось доказать.

Теорема 2 (основная теорема алгебры). Всякий многочлен в комплексной области имеет корень (без доказательства).

Разложение многочлена в комплексной области

на линейные множители

Пусть Pn (z) – многочлен степени n, а z₁ – его корень. Тогда по теореме Безу

Pn (z) можно представить в виде:

Pn (z) = (z – z1) Qn-1 (z),

где Qn-1 – многочлен степени n – 1. Если при этом Qn-1 (z1) = 0, его вновь можно представить как ( z – z1 )Qn-2 (z), a Pn (z) = (z – z1)Qn-2 (z).

Натуральное число k₁ называется кратностьюкорня z₁ многочленаP_n (z),

если этот многочлен делится на( zz₁ )^k1 ,но не делится на ( zz₁ )^k1 ¹.

Корень кратности 1 называется простым, а корень кратности, большей 1, - кратным.

Итак, если z₁ – корень P_n кратности k₁ , то

P ( z ) ( z z

)^k 1 Q ( z ), Q ( z

) 0.

n k ₁

n k₁

Из основной теоремы алгебры следует,

что многочлен Q_n_k ( z ) тоже имеет

корень. Обозначим его z₂ , а его кратность k₂ . Тогда

Q ( z ) ( z z

n k ₁

₎^k 2 _Q

( z),

P ( z ) ( z z

₎^k 1

( z z

₎^k 2

( z)

n k ₁

... a _n ( z z ₁ )^k 1 ( z

z ₂ )^k 2 ...( z

z_N ) ^k ^N ,

(1)

где

z_i z _j ,

k₁

k₂

...

k _N

Следовательно, в комплексной области всякий многочлен можно разложить на линейные множители.

Разложение многочлена с действительными коэффициентами на линейные и квадратичные множители

Определим для Pn (z) многочлен

P_n ( z )a_n z ⁿ...a₁ za₀ ,

где a_i - число, комплексно сопряженное коэффициенту a_i . При этом

P_n ( z )P_n ( z ).

Следовательно, если z₀ – корень P_n , то z₀ - корень P_n . Если коэффициенты P_n

– действительные числа, то

P_n ( z )P_n ( z ),

и если z₀ = a + ib – его корень кратности k, то

₀a ib

тоже его корень,

причем той же кратности. Но

( x z₀ )( x

₀) ( x a ib)( x a ib)

x² 2ax a² b² x² px q

квадратный трехчлен с отрицательным дискриминантом. Если теперь применить к многочлену с действительными коэффициентами от действительной переменной P_n (x) формулу (1), то

P_n ( x )a _n ( xx ₁ )^k ¹ ( xx₂ )^k²

...( xx _r )^k r ( x ²p₁ xq ₁ )^m1 ...( x ²p _s xq_s )^ms ,

то есть всякий многочлен на множестве действительных чисел можно разложить на множители степени не выше второй.

Рациональные дроби

P( z)

ЕслиP(z)иQ(z)–многочленывкомплекснойобласти,то

Q( z)

рациональная дробь. Она называется правильной, если степень P(z) меньше степени Q(z), и неправильной, если степень Р не меньше степени Q. Любую неправильную дробь можно представить в виде:

P( z )_S₍_z₎R( z ) _,

Q( z )Q( z )

где P(z) = Q(z) S(z) + R(z), a R(z) – многочлен, степень которого меньше степени Q(z). Таким образом, интегрирование рациональных дробей сводится к интегрированию многочленов, то есть степенных функций, и правильных

^R⁽^z⁾

дробей, так какявляется правильной дробью.

Лемма 1. Если	P( z)	правильная рациональная дробь и z₀ – корень ее
	Q( z)

знаменателя кратности k, т.е.

Q( z )( zz₀ )^k Q₁ ( z ),Q₁ ( z )0,

то существуют число А и многочлен P₁(z) такие, что

P( z )

Q( z )

( z z

₎k

( z z

)^k ¹ Q ( z )

P₁ ( z )

где последнее слагаемое является правильной дробью.

Доказательство.

P( z )

P( z)

Q( z )

( z z

)^k Q ( z)

P( z )

P( z ) AQ₁ ( z)

( z z

)^k

( z z

)^k Q ( z ) ( z z

)^k( z z

)^k

( z z

)^k Q ( z)

При этом последнее слагаемое является правильной дробью. Выберем число А так, чтобы z₀ было корнем многочлена P(z) – AQ₁(z), то есть

^P⁽^z0 ⁾ _. Q( z₀ )

Тогда по теореме Безу

P( z ) AQ₁ ( z )

P₁ ( z )

( z z

)^k Q ( z )

( z z

)^k ¹Q ( z )

Лемма доказана.

Замечание. Если коэффициенты многочленов Р и Q и выбранный корень знаменателя – действительные числа, то и коэффициенты многочленов P₁ и Q₁ – тоже действительные числа.

Теорема 3. Если	P( z)	правильная рациональная дробь и
	Q( z)

Q( z )	( z	z )^k1 ( z		_z₎^k2	...( z z	N	₎^kN _,
		1		2
то существуют такие комплексные числа
(1)	( 2)	k _j	,	j	1,2,..., N,
^Aj	, A _j	,..., A _j

что

P( z)

Q( z )

( 1)

( 2 )

( k _j )

A _j

...

A_j

(2)

j 1 zz j

( z z _j )

( z z_j )

Доказательство.

Применив k₁ раз лемму 1 к дроби

P( z)

Q( z)

, получим:

P( z )

_A⁽ ^k1 ⁾

_A⁽ ^k1 ¹⁾

_A(1)

P ^* ( z )

Q(z)

(z z )^k1

₍_z_z₎^k1 ¹

z z

Q^*(z)

где

Q^* ( z )( zz₂ )^k2 ...( zz_N )^kN .

Применяя затем ту же лемму к остальным корням знаменателя, придем к формуле (2).

Лемма 2. Пусть Р(х) и Q(x) – многочлены с действительными коэффициентами, причем Q(x) = ( x² + px + q)^m Q1(x), где p² - 4q < 0. Тогда существуют такие действительные числа В, С и многочлен с действительными коэффициентами Р₁(х), что

P(x)

Q(x)

(x² px q)^m

Bx C

(x² px q)^m ¹Q (x)

P₁(x)

(3)

где последнее слагаемое тоже является правильной дробью.

Доказательство.

P( x )

P( x)

Q( x )

( x ²

px q )^m Q ( x)

P( x)

Bx C

( x ² px q )^m

( x ² px q )^m Q ( x ) ( x ²

px q)^m

( x ²

Bx C

q )^m

( x ²

px q )^m Q ( x)

P( x ) ( Bx C )Q₁ ( x)

(4)

где последнее слагаемое является правильной дробью. Выберем В и С такими, чтобы число z₀ =x ₀ +iy₀ (корень многочлена z² + pz + q) было корнем многочлена P(х)-(Bх+C)Q₁(х). Можно показать, что при этом

B	b	, C a	^x0	b,
			y₀
	y ₀

где

_ib^P⁽ ^z0 ⁾ _. Q( z₀ )

Следовательно, В и С – действительные числа, а z₀и z₀ (число, комплексно

сопряженное z₀) – корни многочлена P(х)-(Bх+C)Q₁(х). Тогда по теореме Безу он делится на

( xz₀ )( xz₀ )x ²pxq.

Поэтому последнюю дробь в равенстве (4) можно сократить на x² + px + q и получить равенство (3).

Используя эту лемму, можно доказать следующую теорему:

Теорема 4. Если	P( x)	правильная рациональная дробь, а
	Q( x)

Q( x)

( x

x )^k1 ...( x

_x₎^kr ₍ _x ²

p x

_q₎^m1

...( x ²

p x

q )^ms ,

где

p ²

то существуют такие действительные числа

( 1)

( 2 )

( k _j )

, j

1, 2,..., r ;

( 1)

( 2 )

( m )

, A

,..., A

, B

,..., B

_C_i⁽¹⁾ _, _C _i⁽²⁾ _,_..._, _C _i⁽ ^mi ⁾ _,

1, 2,..., s,

что

P( x)

Q( x )

( 1)

( k _j )

A _j

...

A_j

j 1 xxj

( x x_j )^k ^j

_B( 1) _x_C ( 1)

...

_B⁽ ^mi ⁾ _x_C⁽ ^mi ⁾

_m.

i 1

x p _i x q _i

( x p _i x q_i ) ⁱ

Примеры.

_x2

5 x

6 ( x

2)( x

3 A Bx 2B

x 3

( x

2)( x

( A B) x (3 A 2 B)

( x

2)( x

Полученная дробь должна совпадать с исходной при любых х, следовательно, коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях обеих дробей должны быть равными. Отсюда

AB0

3A2B1^,

то есть А = 1, В = -1. Следовательно, исходную дробь, знаменатель которой имеет только действительные корни (причем простые, то есть кратности 1) можно представить в виде:

x ²

5 x

x 3

4 x ³

4 x ²

2 x 24 4 x ³

4 x ²

2 x 24

x ⁴

2 x ³ 8 x ²

x ² ( x ²

2 x 8)

x ²

2 x 8

Ax ³ 2 Ax ²

8 Ax

Bx ²

2 Bx

Cx ³ Dx²

x ² ( x ²

2 x

( A C ) x ³

(2 A B D ) x ²

(8 A 2 B) x 8B

x ² ( x ²

2 x

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в числителях, получаем:

AC4

2ABD4

8A2B2^,

8B24

откуда А = 1, В = -3, С = 3, D = 5. Таким образом, данную дробь, знаменатель которой имеет действительный корень х = 0 кратности 2 и комплексно

сопряженные корни 1		i	7	, преобразуем в сумму дробей:
	4 x ³	4 x ²		2 x 24 1		3		2 x 5
									.
	x ⁴	2 x ³		8 x ²	x		x ²	x ² 2 x 8

Примеры решения задач

Задача 1.

Выделить целую часть дроби

2 x ⁴ 15 x ³	x ²		5 x 8	.
x ²	8 x	9

Указание

Разделите «уголком» числитель на знаменатель.

Решение

2 x ⁴

15 x ³

_x2

5 x 8

(2 x ⁴

16 x ³

18 x ² ) x ³

17 x ²

5 x 8

2 x ² ( x ²

8 x 9) ( x ³

8 x ²

9 x ) 9 x ²

4 x 8

(2 x ² x )( x ²

8 x

(9 x ²

72 x

81)

76 x 73

(2 x ²

x 9)( x ² 8 x 9) 76 x 73.

Следовательно,

2 x ⁴

15 x ³

x ²

5 x 8

x ²

8 x

(2 x ²

9)( x ²

8 x

76 x

x ²

8 x

2 x ²

76 x

x ²

8 x

Ответ: 2 x ² x 9.

Задача 2.

Разложить дробь

6 x ²

10 x

в сумму простейших.

x ³

3 x ²

Указание

Разложите знаменатель дроби на линейные множители.

Решение

x ³ 3 x ²

2 x x( x ²

3 x 2) x( x 1)( x 2);

6 x ²

10 x 2

_x3

3 x ²

2 x x x 1 x 2

Ax ²

3 Ax

2 A

Bx ²

2Bx Cx ² Cx

x( x

1)( x

( A B C ) x ²

(3 A 2 B C )x 2A

x( x 1)( x 2)

Следовательно,

B C

3 A

2 B

2 .

2 A

Таким образом,

6 x ²

10 x

x ³

3 x ²

2 x

x 1

x 2

Ответ:

x 1

Задача 3.

Разложить дробь

4 x ³8 x ²8 x4

x ⁴4 x ³4x²

в сумму простейших.

Указание

Разложите знаменатель дроби на линейные множители.

Решение

x ⁴4 x ³4 x ²x ²x ²4 x4x ² ( x2)² .

Следовательно, знаменатель имеет два действительных корня: 0 и 2, причем кратность каждого из них равна 2. Тогда разложение дроби в сумму простейших имеет вид:

4 x ³

8 x ²

8 x 4 A B

x ⁴

4 x ³

4 x ²

x x ²

x 2 ( x 2)²

Ax ³

4 Ax ²

4 Ax

Bx ²

4 Bx

4 B

Cx ³

2Cx ² Dx²

x ² ( x 2)²

( A C ) x ³

( 4 A B 2C D) x ²

(4 A 4 B) x 4B

x ² ( x 2)²

Отсюда

4 A

4 B

3 ^.

4 B

Значит,

4 x ³

8 x ²

8 x 4 1 1

4 x

x x

2 ( x 2)

Ответ:

x 2

( x

Задача 4.

Разложить дробь

	5 x ²	2 x	13
	x ³	x ²	x 1
в сумму простейших.

Указание

Разложите знаменатель дроби на множители первой и второй степени.

Решение

x ³

x ² x 1 x ² ( x 1) ( x 1) ( x ² 1)( x 1).

5 x ²

2 x

x ³

x ²

x 1 x 1 x²

Ax ²

Bx ² Cx Bx

( x 1)( x²

( A B) x ²

( B C ) x ( A C)

( x

1)( x²

Следовательно,

5 x ²

2 x

3 x 5

3 x

x ³

x ²

x 1 x 1 x²

Ответ:

x²

1.1.4. Интегрирование простейших и произвольных правильных дробей. Интегрирование произвольных рациональных функций. Интегрирование дробно-линейных иррациональностей

Было показано, что любую правильную рациональную дробь можно представить в виде линейной комбинации дробей вида:

, 2)

( x

x ² px q

, 4)

( x ²

px q)ⁿ

Ax B

( p ²

4 q

0).

Этидробиназываютсяпростейшими(илиэлементарными)дробями.

Выясним, каким образом они интегрируются.

d( x

a )

A ln|x

a| C.

dx A ( x a ) ⁿ d( x a)

( x

A( x a ) ⁿ ¹

A( n 1)

( x

a)ⁿ ¹

_x2

px q

( x

p ²

)

p²

A( x

) B A

d( x

_p2

( x

)

Сделаем замену

и обозначим

B ,

_p2

c² .

Тогда требуется вычислить интеграл

2tdt

t ²

c ²

2 t ²

c ²

t ²

c²

A d( t ²

c² )

t ²

c ²

t ²

ln( t ²

c ² )

arctg

ln( x ²

q )

arctg

При интегрировании простейших дробей последнего типа воспользуемся той же заменой, что и в предыдущем случае, и представим подынтегральное выражение в виде:

At B

A d( t ²

c² )

( t

2 n

)

2 ( t

2 n

)

( t

2 n

A ( t ² c² ) ⁿ ¹

B I_n ,

где

^In

dt.

( t ²

c² )ⁿ

Рассмотрим отдельно способ интегрирования I_n .

I _n

1 t ²

c ²

( t ²

c² )ⁿ

tdt

( t

2 n 1

)

( t

2 n

^In 1

td( t ²

_c2 ₎ n 1

c ²

2 c ² ( n

^In 1

_c2

2 c ² ( n 1) ( t ²

_c2 ₎n 1

( t ²

_c2 ₎n 1

I_n ₁ .

2 c ² ( n 1)( t ²

_c2 ₎n 1

_c2

2( n 1)

Таким образом, получена рекуррентная формула, позволяющая в конечном счете свести вычисление этого интеграла к

^I1		1	dt	1	arctg	t	C.
	t ²	c ²		c		c

Итак, интеграл от любой простейшей дроби находится в явном виде и является элементарной функцией.

Теорема 1. Неопределенный интеграл от любой рациональной дроби на всяком промежутке, на котором ее знаменатель не равен нулю, существует и выражается через элементарные функции, а именно рациональные дроби, логарифмы и арктангенсы.

Доказательство.

^P⁽^z⁾

Представим рациональную дробьв виде:

P( z )_S₍_z₎R( z) _.

Q( z )Q( z)

При этом последнее слагаемое является правильной дробью, которую можно представить в виде линейной комбинации простейших дробей. Таким образом, интегрирование рациональной дроби сводится к интегрированию многочлена S(x) и простейших дробей, первообразные которых, как было показано, имеют вид, указанный в теореме.

Замечание. Основную трудность при этом составляет разложение знаменателя на множители, то есть поиск всех его корней.

Пример.

x ⁴

6 x ³

12 x ²

2 x 24

x ⁴

2 x ³

8x²

x x ²

x ²

2 x 8

2 x

)dx

ln|x|

x ²

2 x

ln|x|

2( x

d( x 1)

( x

1)²

x ln|x|

2( x

1)d( x

d( x

( x 1)²

( x 1)² 7

x ln|x|

3 ln( x ²

2 x

arctg

Интегрирование дробно-линейных иррациональностей

Из ранее доказанного следует, что любую рациональную дробь можно проинтегрировать, поэтому в дальнейшем будем считать задачу интегрирования функции выполненной, если удается представить эту функцию в виде рациональной дроби. В частности, для интегралов вида

R x ,	ax	b	r₁	,...,	ax	b	r_n	dx,
	cx	d			cx	d

где R – рациональная функция (многочлен или рациональная дробь), r₁ ,…,r_n

– дроби с одним и тем же знаменателем m

p₁

,..., r

p_n

, ,

замена

t^m

приводит к

dt ^m

a ct^m

Таким образом, х является рациональной функцией t, следовательно, его производная тоже будет рациональной функцией. Кроме того,

axb ^rⁱ_t_p_i

cxd

тоже рациональные функции от t (так как p_i – целое число). Поэтому после замены подынтегральное выражение примет вид R₁ (t)dt , где R₁ – рациональная функция, интегрируемая описанными выше способами.

Замечание. С помощью подобных замен можно интегрировать функции вида

R( x ,( axb )^r1 ,...,( axb)^rn ),

и, в частности, R( x , x ^r1 ,..., x^rn ).

Примеры.

1)	x	1	dx.
	x	1

Сделаем замену

тогда

1 _,

x 1

	t ²		1				4tdt
x				, a dx				.
	t	2	1		( t	2	2
							1)

Следовательно,

4 t ² dt

( t ² 1)²

^x₃_x^x₂ ² dx.

Так как

( t

( t 1)

1						3
	x 2		( x 2)	2		( x 2)	6	,
1						2
a ³		x 2	( x 2)		3	( x 2)			6	,

выберем в качестве новой переменной

t( x2) 6 .

Тогда

xt ⁶2,dx6t ⁵ dt.

Поэтому

( t ⁶

2 t ³ )6t ⁵ dt

x 2

t²

6 ( t ⁹

t ⁶

3 _x

2t ³ )dt

_t10

t ⁷

3t ⁴

( x 2)

3( x 2)

Примеры решения задач

Задача 1.

Вычислить интеграл

3 x19

_x2 _x ₆ ^dx^.

Указание

Разложите подынтегральную функцию в сумму простейших дробей.

Решение

3 x

x ²

x 6 ( x 2)( x 3) x 2 x 3

Ax 3 A Bx 2B ( A B) x ( 3 A 2 B)

;

( x 2)( x

( x

2)( x 3)

3 A

2 B

₂.

3 x

_x2

x 6

x 2

5 ln| x 2| 2 ln| x

Ответ: 5 ln|x2| 2 ln|x3| C.

Задача 2.

Вычислить интеграл

2 x ³	3 x ²	2 x	2	dx.
x ⁴	3 x ³	3x ²	x

Указание

Разложите подынтегральную функцию в сумму простейших дробей.

Решение

2 x ³

3 x ²

2 x 2 2 x ³

3 x ² 2 x 2

_x4

3 x ³

3 x ²

x( x 1)³

x x 1 ( x 1)²

( x 1)³

Ax ³

3 Ax ²

3 Ax

Bx ³

2Bx ²

Cx ² Cx Dx

x( x

1)³

( A B) x ³

( 3 A 2 B C ) x ²

(3 A B C D) x A

;

x( x 1)³

3 A

2 B

3 A B

3 ^.

2 x ³

3 x ²

2 x 2

3 x

x ( x 1)

( x 1)

2 ln|x|

2( x

1)²

Ответ: 2 ln|x|

2( x

1)²

Задача 3.

Вычислить интеграл

dx.

x³

Указание

Разложите подынтегральную функцию в сумму простейших дробей.

Решение

Bx C

x ³ 8 ( x 2)( x ²

2 x 4) x 2 x ² 2 x 4

Ax ² 2 Ax

4 A Bx ² Cx 2 Bx

( x

2)( x ² 2 x 4)

( A B) x ²

( 2 A 2 B C ) x (4 A 2C)

;

( x

2)( x ² 2 x 4)

2 A

2 B

4 A

x ³

16 x 2 x ²

( x

2 x 4

d( x

( x

1)²

ln|x

tdt

t ²

t²

ln|x 2|

ln( t ²

arctg

ln|x

ln( x ²

2 x

arctg

Ответ:

ln|x 2|

ln( x ²

2 x

Задача 4.

Вычислить интеграл

_x5

dx.

( x ²

1)( x²

Указание

Подынтегральная функция – неправильная дробь, поэтому вначале выделите

целую часть, а затем разложите оставшуюся правильную дробь в сумму простейших.

Решение

_x5

( x ⁵

5 x ³

4 x ) 5 x ³ 4x

( x ² 1)( x ²

4) x ⁴

5 x ²

_x4

5 x²

5 x ³

;

_x4

5 x²

5 x ³

4 x

5 x ³

Ax B Cx D

x ⁴ 5 x ² 4 ( x ²

1)( x ²

x ² 1

_x2

Ax ³ Bx ²

4 Ax

Cx ³

Dx ²

( x ²

1)( x²

( A C ) x ³

( B D ) x ²

(4 A C )x (4 B D)

;

( x ²

1)( x²

4 A

4 B

( x ²

1)( x ²

_x5

3 x ²

1 3 x²

xdx

2xdx

_x2

x²

ln( x ²

x²

Ответ:

ln( x ²

ln( x ² 4) C.

Задача 5.

Вычислить интеграл

₃_x^dx₄_x.

Указание

Сделайте замену: tx¹² .

Решение

, ⁴

t x

_t4 _, 4

t ³ , x

12t ¹¹ dt

t ⁴

t ³

12 t ⁷

_t6

_t5

_t4 _t 3

_t2

1		3
x	4	x

t ¹² , dx12t ¹¹dt.

t ⁸ dt t 1

t1_t₁dt

t ⁸

t ⁷

t ⁶

t ⁵

t ⁴

t ³

t²

t ln|t 1|

_x3

x 12

x 2

x 12

_x3

x 4

_x6

x 12

ln|x 12

x 3

x 12

_x2

x 12

x 3

_x4

Ответ: 12

x 12

ln|x 12

Задача 6.

Вычислить интеграл

Указание

Сделайте замену:

Решение

t ²

2tdt

( t

t( t ²

1)( 2 t )dt

( t ²

1)² t²

_t2

ln|t 1|

ln|t

Ответ: ln

x x1

x 1

x x1

1.1.5. Интегрирование рациональных тригонометрических выражений. Интегрирование квадратичных иррациональностей. Интегрируемость в элементарных функциях

Рассмотрим интегрирование некоторых тригонометрических выражений.

Интегралы вида

sin x cos xdx ,

sin

x sin

xdx ,

cos

x cos xdx

вычисляются с применением формул

sin

x cos

(sin(

) x

sin(

) x),

sin

x sin

(cos(

) x

cos(

) x),

cos

x cos

(cos(

) x

cos(

) x).

Пример.

sin 5 x cos 3 xdx

sin 8 xdx

sin 2xdx

cos 8 x

cos 2 x

Интегралы вида

sin ⁿ x cos ^m xdx,

где т и п – целые числа, интегрируются с помощью замен:

а) если хотя бы одно из чисел т,п – нечетное (например, т), можно сделать замену t = sin x (или t = cos x при нечетном п).

Пример 1.

sin ⁴ x cos ³ xdx

sin ⁴ x cos ²

x cos xdx

sin ⁴ x(1

sin ² x )d sin x

)dt

_t5

_t7

sin ⁵

x sin⁷ x

Пример 2.

cos ² x

cos² x

sin xdx

sin ³ x

sin⁴

cos

cos² x

d cos x

t²

1 t

t )

1 t

ln|1

1 t

1 cos x

cos x

б) если т и п – четные положительные числа, можно понизить степени тригонометрических функций с помощью формул

sin ²

1 cos 2

, cos ²

1 cos 2

Пример 3.

sin⁸ xdx

cos 2x

4 cos 2 x

6 cos ²

2 x

4 cos ³ 2 x

cos ⁴ 2x dx

sin 2 x

sin 4 x

sin 2x

sin 2 x

sin ³ 2 x

sin 4 x

cos 8 x )dx

128

sin 2 x

sin ² 2 x

sin 4 x

sin 8 x C.

128

1024

в) если т и п – четные и хотя бы одно из них отрицательно, можно применить замену t = tg x или t = ctg x

Пример 4.

sin ² x

_cos8 _x ^dx

tg ² x(1tg ²

	sin ² x	1		dx
	cos ² x cos ⁴ x cos² x
x )² dtgx		( t ²	2t ⁴ t ⁶ )dt

t ³		2t ⁵		t⁷	C	1	tg ³ x	2	tg ⁵ x	1	tg ⁷ x C.
3	5		7			3		5		7

Интегралы вида

R(sin x , cos x )dx,

где R – рациональная функция, сводятся к интегралам от рациональных функций с помощью универсальной тригонометрической подстановки:

тогда

sin x

t ²

cos x

t²

2dt

1 t²

то есть все составляющие подынтегрального выражения представляют собой рациональные функции от t.

Пример 5.

sin x

t² )

_t2

(1 t )²

1 t

Если подынтегральная функция имеет вид R (sin²x, cos²x), можно выбрать замену t = tg x. При этом

sin ² x

t²

cos ² x

1 t ²

t²

arctgt ,

t²

степень полученной рациональной функции будет ниже, чем при универсальной тригонометрической подстановке, что облегчает дальнейшее интегрирование.

Пример 6.

sin ² x

4 cos ² x

t²

t ²

4 1

t²

t ² 4

t 2

tgx

ln|t

2| ln|t

tgx

Интегрирование квадратичных иррациональностей

При вычислении интегралов

R( x , a ²x ² )dx ,R( x , x ²a ² )dx

свести подынтегральную функцию к рациональной помогают замены:

a )xa sin t ,

при этом

) x atgt,

тогда

в) x

sin t

соответственно

_x²

Пример 7. Вычислим интеграл

Пусть

тогда

a ²

x ²

a ²

a ² sin ² t

a cos t ;

a cos tdt ,

arcsin

_x2

_a2

a ² (1 tg ² t)

;

cos t

adt

arctg

cos² t

a ²

a ² (1 sin ² t)

a cos t

;

sin ² t

sin t

a cos tdt

t arcsin

sin² t

_x2

x ² dx.

2 sin t ,

_x2

x ² dx

4 sin ² t 2 cos t

2 costdt

sin ² 2tdt

cos 4 t )dt

2 t

sin 4t

2 arcsin

sin(4 arcsin

) C.

Заметим, что

sin 4 t

2 sin 2 t cos 2 t

4 sin t cos t cos 2t

4 sin t

sin ² t (1

2 sin ² t)

2 x

_x2

)

x(2 x ² ) 4 x²

Поэтому ответ можно представить в виде:

2 arcsin

x x(2 x ² ) 4 x²

Пример 8.

Для вычисления интеграла

x²

выберем замену x = 3tg t. При этом

x²

x ² 9

x ²

cos t

9tg ² t cos² t

3dt

d sin t

cos t sin ² t

sin ² t(1 sin ² t )

u ² (1 u)(1 u)

где u = sin t . Представив подынтегральную функцию в виде суммы простейших дробей, получим:

u ² (1 u )(1 u )

u ²

2(1

u )

2(1 u)

sin t

9 x ²

x ²

(Учитываем, что

sin t

tgt

1 tg ² t

9 x²

Пример 9.

Вычислим интеграл

dx_dx

x ²x²1

с помощью замены

_sin¹ _t .

Тогда

sin ² t sin t (

cos t )dt

sin tdt

cos t

sin² t

_x2

cos t C

cos(arcsin

)

_x2

Интегрируемость в элементарных функциях

предыдущих лекциях рассмотрены методы интегрирования некоторых элементарных функций. Однако далеко не все элементарные функции интегрируемы, то есть имеют первообразные, также являющиеся

элементарными функциями. В качестве примеров можно привести функции

e ^x² , sin x² ,	sin x	,	1
	x		ln x

другие. Этим операция интегрирования отличается от дифференцирования, при котором производная любой элементарной функции является тоже элементарной функцией. Для отыскания интегралов от функций, не имеющих элементарной первообразной, вводятся и используются новые классы функций, не являющихся элементарными.

Примеры решения задач

Задача 1.

Вычислить интеграл

sin 5 x cos 2 xdx.

Указание

Преобразуйте подынтегральное выражение, воспользовавшись формулой

sin cos	1	sin(	) sin(	) .
	2

Решение

sin 5 x cos 2 xdx

sin 7 x

sin 3x dx

cos 7 x

cos 3 x

cos 7 x

cos 3 x C.

Ответ:

cos 7 x

cos 3 x C.

Задача 2.

Вычислить интеграл

sin ⁶ x sin 2 xdx.

Указание

Воспользуйтесь формулой

sin 2 x2 sin x cos x

и сделайте замену t = sin x.

Решение

sin ⁶ x sin 2 xdx

2 sin ⁷ x cos xdx

sin ⁷ xd sin x 2

sin ⁸ x

sin⁸ x

sin⁸

Ответ:

Задача 3.

Вычислить интеграл

sin ⁴ x cos ² xdx.

Указание

Понизьте

степень

тригонометрических

функций,

входящих

подынтегральное выражение, с помощью формул

sin ²

cos 2

, cos²

1 cos 2

sin 2

2 sin

cos .

Решение

sin ⁴ x cos ² xdx

4 sin ² x cos ² x sin² xdx

sin ² 2 x

1 cos 2 x

sin ² 2 xdx

sin ² 2 x cos 2xdx

cos 4 x dx

sin ²

2 xd sin 2x

sin 4 x

sin ³ 2 x C.

Задача 4.

Вычислить интеграл

ctg ⁶ xdx.

Указание

Сделайте замену t = ctg x.

Решение

ctg ⁶ xdx

ctg ⁴ x cos² x

sin² x

ctg ⁴ x

ctg ² x

dctgx ^t^ctgx

t²

t⁶

( t ⁶

t ⁵

arcctgt C

_t2

ctg ³ x

ctg ⁵ x

ctgx x C.

1 t²

Задача 5.

Вычислить интеграл

_x2

dx.

Указание

Сделайте замену x = 2sin t.

Решение

2 sin t

_x2

4 sin ² t

2 cos t ,

dx 2 cos tdt;

_x2

2 cos t 2 cos tdt

2 cos² t

sin tdt

2 sin t

sin² t

2 cos ² t

d cos t

cost

2u ² du

cos ² t

u²

u ²

u 1 u 1

2 u

Сделаем обратную замену, учитывая, что

_x2

sin t

cos t

sin ² t

u 1

x²

2 u ln

4 x ²

x²

Ответ: 4

x²

4x² _:

Задача 6.

Вычислить интеграл

x²_dx_.

_x² ₉

Указание

Сделайте замену x = 3tgt.

Решение

x 3tgt

x ²

9 3

tg ² t 1

, dx

3dt

cos t

cos² t

x ²

9tg ² t

cost

3dt

cos² t

x²

sin ² t cos tdt

sin ² td sin t

cos ⁴ t

sin ² t)²

9	1	1		1	1		d sin t

4	(1 sin t )²		1 sin t	(1 sin t ) ²		1 sin t

sin t

4(1 sin t )

4(1

sin t ) 4

sin t

9 sin t

tgt

2 cos ² t

cos t

x ²

x x

x ² 9 x

Ответ: x x ² 9

1.2. Определенный интеграл1

1.2.1. Задачи, приводящие к понятию определенного интеграла. Определенный интеграл, его свойства. Теорема о среднем для определенного интеграла

Для решения многих задач из различных областей науки и техники требуется применение определенного интеграла. К ним относятся вычисление площадей, длин дуг, объемов, работы, скорости, пути, моментов инерции и т.д. Определим это понятие.

Рассмотрим отрезок [a, b] оси Ох и определим понятие разбиения этого отрезка как множества точек x_i : a=x₁ < x₂ <…< x_n_-₁ < x_n=b. При этом точки x_i называются точками разбиения, отрезки [x_i_-₁, x _i] – отрезками разбиения (их длины обозначаются Δx_i), а число

| τ | = max ( Δx₁, Δx₂,…, Δx_n )

называется мелкостью разбиения.

y = f(x)

х₀=aх_n=b_х

Пусть на [a,b] задана функция y = f(x). Выберем на каждом отрезке разбиения по точке _i и составим сумму вида

f ( _i )x_i ,

называемую интегральной суммой функции f(x). Если f(x) > 0, такая сумма равна сумме площадей прямоугольников с основаниями x_i и высотами f( _i ). Если для любого разбиения отрезка [a, b] существует один и тот же

конечный предел интегральных сумм при n		u \| \| 0 :
	n
lim	f ( _i ) x _i	I ,
n	i 1
\|\| 0

то функция f(x) называется интегрируемой на отрезке [a, b ], а число I называется определенным интегралом f(x) на [a, b] и обозначается

If ( x )dx.

Числа а и b называются соответственно нижним и верхним пределами интегрирования.

Кроме того, определение определенного интеграла дополняется следующими утверждениями:

1)f (

x )dx

2)f (

x )dx

f (

x )dx.

Теорема 1 (необходимое условие интегрируемости). Если функция интегрируема на некотором отрезке, то она ограничена на нем. Доказательство.

Пусть f (x) интегрируема на [a,b] и

f ( x )dxI.

Зафиксируем какое-либо , например, = 1. По определению интегрируемой функции существует такое > 0, что для любой интегральной суммы , соответствующей разбиению, для которого | | < , верно неравенство | – I |

1, откуда I – 1 << I + 1, то есть множество интегральных сумм функции

(x) ограничено.

Если предположить при этом, что f (x) не ограничена на [a,b], то она не ограничена по крайней мере на одном из отрезков разбиения. Тогда

произведение f ( _i)x_iна этом отрезке может принимать сколь угодно

большие значения, то есть интегральная сумма оказывается неограниченной, что противоречит условию интегрируемости f (x).

Замечание. Условие ограниченности функции является необходимым, но не достаточным условием интегрируемости. В качестве примера рассмотрим функцию Дирихле: f (x) = 1, если х рационально, и f (x) = 0, если х иррационально. Для нее на любом отрезке [a,b] и при любом разбиении на каждом отрезке Δx_i найдутся как рациональные, так и иррациональные

значения х. Выбрав в качестве _i рациональные числа, для которых f ( _i )= 1, получим, что

f ( _i ) x_iba.

Если же считать, что_i– иррациональные числа, то

f ( _i )x_i0.

Следовательно, предел интегральных сумм не существует, и функция Дирихле не интегрируема ни на каком отрезке.

Сформулируем понятия верхней и нижней интегральных сумм. Пусть т_i – наименьшее значение функции f (x) на отрезке x_i , а M_i – ее наибольшее

значение на этом отрезке.

Сумма

s_nm_ix_i

называется нижней интегральной суммой функции f (x) на [a,b], а

^Sn^Mi ^xi

верхней интегральной суммой.

Свойства интегральных сумм

Так как на любом отрезке разбиения m_i < M_i , то s_i < S_i .

- Если т – наименьшее значение f(x) на [a,b], а М – ее наибольшее значение на [a,b], то

m( ba )s_nS_nM( ba).

При добавлении к выбранному разбиению новых точек s_n может только возрастать, а S_n – только уменьшаться.

Доказательство.

Пусть отрезок [x_k_-₁ ,x_k] разбит на р отрезков. Обозначим нижнюю и верхнюю интегральные суммы на этих отрезках как s_p и S_p. Но для отрезка [x_k_-₁ ,x_k] наименьшим значением функции является т_к, а наибольшим – М_к.

Следовательно, по свойству 2s_p > m_kx_k – соответствующему слагаемому

общейинтегральнойсуммыs,аS_k<M_kx_k–слагаемомуверхней

интегральной суммы. Таким образом, каждое слагаемое s может только увеличиваться при добавлении новых точек, а каждое слагаемое S – только уменьшаться, что и доказывает сформулированное утверждение.

Существуют

lim s

u lim S

Доказательство.

Из свойств 2 и 3 следует, что s ограничена (sM( ba) ) и монотонно

возрастает. Следовательно, она имеет предел. Подобное же рассуждение справедливо для S.

5. Если f (x) непрерывна на [a,b], то sS.

Доказательство.

Назовем колебаниемфункции f (x) на отрезке Δх_к разность_k= M_k – m_k.

Тогда в силу непрерывности f (x)

00 :_k

npu| |.

Следовательно,Ss( ba),тоестьlim( Ss)0,чтоитребовалось

доказать.

Замечание. Так как s и S можно считать частными случаями интегральных сумм функции f (x), то

f ( x )dx.

6. Для любых двух разбиений данного отрезка1 и2sS .

Для доказательства этого утверждения достаточно рассмотреть разбиение, включающее все точки разбиений ₁ и ₂ , и воспользоваться свойствами 1 и

Свойства определенного интеграла

Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла:

Af ( x )dxAf ( x )dx.

Доказательство.

Af ( x )dx

lim

Af (

i ⁾

^xi

i 1

|| 0

A lim

f (

i ⁾

x _i

f ( x )dx.

i 1

|| 0

2. ( f ₁ ( x ) f ₂ ( x ))dx

f ₁ ( x )dx

f ₂ ( x )dx.

Доказательство.

( f ₁ ( x )

f ₂ ( x ))dx

lim

( f ₁ (

i ⁾

f ₂ ( _i ))

^xi

lim

f ₁ (

i ⁾ ^x i

f ₂ (

i ⁾

x _i

f ₁ ( x )dx

f ₂ ( x )dx.

i 1

|| 0

3.Если на отрезке [a,b] (a<b)

f ( x )

g( x ), mo

f ( x )dx

g( x )dx.

Доказательство.

g( x )dx

f ( x )dx

g( x )

f ( x ) dx

lim

g( _i )

f ( _i )

x_i 0,

|| 0

i 1

так как

g( _i ) f ( _i ) 0,

x_i

Отсюда следует, что

f ( x )dx

g( x )dx.

_A₂B2

A₁

Геометрическая интерпретация: площадь криволинейной трапеции аА₁В₁b не больше площади аА₂В₂b.

Если т и М – наименьшее и наибольшее значения функции f(x) на отрезке

[a,b], ab, то

m( ba )f ( x )dxM ( ba).

Доказательство.

Так как

mf ( x )M,

по свойству 3

bbb

mdxf ( x )dxMdx.

aaa

Но

mdxm( ba ),MdxM ( ba),

следовательно,

m( ba )f ( x )dxM ( ba).

B₂

Геометрическая интерпретация: площадь криволинейной трапеции содержится между площадями прямоугольников aA₁B₁b и aA₂B₂b.

5 (Теорема о среднем). Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a,b], то на этом отрезке найдется такая точка , что

f ( x )dx( ba ) f ().

Доказательство.

Пусть a < b, т и М – наименьшее и наибольшее значения функции f(x) на [a,b]. Тогда по свойству 4

f ( x )dx

b a _a

Пусть

f ( x )dx

, m

b a _a

Так как f(x) непрерывна на [a,b], она принимает на нем все промежуточные

значения между т и М, то есть существует ( a b) такое, что f ( ) . Тогда

f ( x )dx( ba ) f (),

что и требовалось доказать.

Для любых трех чисел a,b,c справедливо равенство

bcb

f ( x )dxf ( x )dxf ( x )dx,

aac

если все эти интегралы существуют.

Доказательство.

Пусть a < c < b. Составим интегральную сумму так, чтобы точка с была точкой деления. Тогда

bcb

f ( _i ) x_if ( _i ) x_if ( _i ) x_i .

aac

Переходя к пределу при | | 0, получим доказательство свойства 6. Если a < b < c, то по только что доказанному

сbc

f ( x )dxf ( x )dxf ( x )dx,

aab

или

bcc

f ( x )dxf ( x )dxf ( x )dx.

aab

Но

f ( x )dxf ( x )dx,

поэтому

bcb

f ( x )dxf ( x )dxf ( x )dx.

aac

Аналогично доказывается это свойство и при любом другом расположении точек a, b и с.

Примеры решения задач

Задача 1.

Найти верхнюю интегральную сумму S для интеграла

x ² dx,

разбивая промежуток интегрирования на п равных частей.

Указание

Подынтегральная функция монотонно возрастает, поэтому наибольшее значение на каждом интервале разбиения она принимает на правой границе интервала.

При вычислении интегральной суммы воспользуйтесь формулой

₁2 ₂ 2 _... _n2 ⁿ⁽ ⁿ ¹⁾⁽² ⁿ ¹⁾ _.

Решение

...

_n2

4 2

...

n²

n ²

n²

4 n

(1 2

...

n )

n²

...

)

4 1 n 1 n( n 1)(2 n 1)

n²

4 n

2 n

2 n ²

3 n

6 n 2

n 1 1

19 5

3 2 3 n

3 2 n 3n²

5 n1

^Ответ^:₃₂₃_n2 ^.

Задача 2.

Найти нижнюю интегральную сумму s для интеграла

xdx,

разбивая промежуток интегрирования на п равных частей.

Указание

Подынтегральная функция монотонно возрастает, поэтому наименьшее значение на каждом интервале разбиения она принимает на левой границе интервала.

Решение

₁n 1

...

n k 0

₁n 1

Ответ:

n k 0

Задача 3.

Вычислить интеграл

2^x dx

как предел интегральной суммы.

Указание

Разбейте промежуток интегрирования на п равных частей и воспользуйтесь формулой для суммы геометрической прогрессии:

	b ( qⁿ		1)
S_n	1			,
	q	1

где b₁ – первый член прогрессии, а q – ее знаменатель.

Решение

Подынтегральная функция непрерывна на отрезке [0;1], следовательно, она интегрируема на нем. Поэтому мы можем вычислять интеграл как предел любой интегральной суммы, например, верхней интегральной суммы S. При этом значение функции на каждом отрезке разбиения вычисляется на правой границе отрезка, поскольку функция 2^х монотонно возрастает.

Заметим, что интегральная сумма представляет собой сумму геометрической прогрессии с

Следовательно,

...

₂n

ⁿ1 lim

2 ^x dx

lim S

lim 2

2 ^x

ln 2

2 n

Ответ: _ln¹₂ .

Задача 4.

Вычислить интеграл

x ³ dx

как предел интегральной суммы, разбивая промежуток интегрирования так, чтобы точки деления образовали геометрическую прогрессию.

Указание

Докажите, что предел интегральной суммы для интеграла

x ^k dx

равен

_bk 1

_ak 1

Решение

Пусть

x a ,

x b , q

, x

^xi_a

Тогда

1 .

n 1

k 1

f ( x _i ) x _i

i 0

_bk 1

_ak 1

k 1

i ( k1)

lim S	_bk	1	_ak 1	.
		k	1
n

Следовательно, при а = 0, b = 1, k = 3 получаем, что

1	1
x ³ dx		.
	4
0

Ответ: ₄¹ .

Задача 5.

Оценить интеграл

3,5	x ² dx	,
I
	x 1
1,5

используя теорему о среднем.

Указание

Найдите наибольшее и наименьшее значение подынтегральной функции на отрезке интегрирования и воспользуйтесь формулой

m( ba )f ( x )dxM ( ba),

гдеmmin f ( x ),Mmax f ( x).

[ a , b ][ a , b ]

Решение

Найдем наибольшее и наименьшее значение подынтегральной функции на отрезке интегрирования:

f ( x)

2 x( x

_x2

( x

f ( x )

критическая точка, принадлежащая отрезку интегрирования.

f (1, 5)4, 5;f (2)4;f (3, 5)4, 9

min f ( x ) 4, M max f ( x) 4, 9

[1,5;3,5]	[1,5;3,5]
4(3, 5 1, 5) I	4,9(3, 5 1, 5)	8 I 9,8.

Ответ: 8I9,8.

1.2.2. Интегрируемость непрерывных,

кусочно-непрерывных и монотонных ограниченных функций.

Производная интеграла по переменному верхнему пределу.

Формула Ньютона – Лейбница

Теорема 1. Функция, непрерывная на отрезке, интегрируема на нем.

Доказательство.

Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a,b], то она, во-первых, ограничена

на нем, а во-вторых, равномерно непрерывна, то есть00такое,

что

x , x[ a , b ],|xx |,| f ( x)f ( x )|.

Тогда для разбиения, в котором | |, колебание_i, следовательно,

0Ss( ba),

ипосвойству5верхнихинижнихинтегральныхсуммполучим,что

существуетf ( x )dx.

Теорема 2. Функция, монотонная на отрезке, интегрируема на нем.

Доказательство.

Пусть f(x) возрастает на [a,b]. Тогда

x[ a , b ]f ( a )f ( x )f ( b ),

то есть f(x) ограничена на [a,b]. Кроме того, для любого интервала [x_i_-₁, x_i]

m_if ( x_i ₁ ),M_if ( x_i ).

Следовательно,

Ss( M _im_i ) x_i

( f ( x _i )f ( x _i ₁ ))x_i

( f ( x₁ )f ( x₀ )f ( x ₂ )f ( x ₁ )...f ( x _n )f ( x_n ₁ ))| |

( f ( b )f ( a ))| |.

Поэтому

lim( Ss)0,

||0

следовательно, f(x) интегрируема на [a,b].

Замечание. В теореме 2 не требовалась непрерывность функции. Монотонная функция может быть и разрывной, при этом она является интегрируемой по теореме 2.

Теорема 3. Если f(x) – непрерывная функция и

( x )f ( t )dt ,mo( x )f ( x).

(Производная от определенного интеграла по верхнему пределу равна подынтегральной функции, в которую вместо переменной интегрирования подставлено значение верхнего предела). Доказательство.

Пусть х – приращение аргумента х. Тогда по свойству 6 определенного интеграла

xxxxx

( xx )f ( t )dtf ( t )dtf ( t )dt,

aax

( xx )( x )f ( t )dt.

По теореме о среднем (свойство 5)

f (

)( x

f (

) x,

где

xx.

Поэтому

f (

)

f ( ).

Следовательно,

( x )

lim

lim f (

Но при x 0

x, и вследствие непрерывности функции f(x)

lim f (

)

lim f (

)

f ( x).

Таким образом,

( x )f ( x).

Теорема доказана.

Замечание. Из теоремы 3 следует, что всякая непрерывная функция имеет первообразную, так как по теореме 1 она интегрируема, а по теореме 3 ее первообразной является

( x )f ( t )dt.

Теорема 4. Если F(x) является первообразной непрерывной функции f(x), то справедлива формула

f ( x )dxF ( b )F ( a ),

называемая формулой Ньютона – Лейбница.

Доказательство.

По теореме 3f ( t )dtпервообразная функции f(x), поэтому F(x) иf ( t )dt

отличаются на постоянное слагаемое С. Следовательно,

f ( t )dtF ( x )C.

Пусть х=а, тогда отсюда получим

f ( t )dtF ( a )C,

то есть F(a) + C = 0, откуда C = - F(a). Тогда

f ( t )dtF ( x )F ( a ).

Принимая в этом равенстве x=b, получим формулу Ньютона – Лейбница:

f ( x )dxF ( b )F ( a ).

Замечание. Обычно вводится обозначение

F ( b )F ( a )F ( x)

и формула Ньютона-Лейбница записывается так:

f ( x )dxF ( x )

F ( b )F ( a).

Примеры.

e _x

ln|x|

( e

ln e )

ln 1)

e 1

0 e

arcsin x

x²

arcsin

arcsin 0

6 ^.

Примеры решения задач

Задача 1.

Вычислить интеграл

1 _x3x_dx_.

Указание

Найдите первообразную подынтегральной функции, а затем воспользуйтесь формулой Ньютона-Лейбница.

Решение

16 ₁

3 x

dx 2 x

2 16

2 9

128

5476.

Ответ: 76.

Задача 2.

Вычислить интеграл

³cos 2x

_sin2 _x ^dx^.

Указание

Найдите первообразную подынтегральной функции, а затем воспользуйтесь формулой Ньютона-Лейбница.

Решение

³cos 2 x

_sin2 _x ^dx

x2 ctgx

Ответ: ₃4 3.

³1 2 sin ² x

sin ² x

sin² x

Задача 3.

Вычислить интеграл

3 x 7
_x2 ₅ _x ₆ ^dx^.

Указание

Найдите первообразную подынтегральной функции, разложив ее в сумму простейших дробей, а затем воспользуйтесь формулой Ньютона-Лейбница.

Решение

3 x

x ²

5 x 6

x 2 x 3

ln|x

2 ln|x

( x 2)( x

3)²

ln(7

64)

ln(3

16)

7 64

3 16

Ответ: ln ²⁸₃ .

Задача 4.

Вычислить интеграл

sin 4 x sin 5 xdx.

Указание

Найдите первообразную подынтегральной функции, преобразовав произведение тригонометрических функций в сумму, а затем воспользуйтесь формулой Ньютона-Лейбница.

Решение

sin 4 x sin 5 xdx

cos x cos 9x dx

1	sin x	1	sin 9 x
2		18

1	sin			1	sin	9	0
2		2	18			2

1		1		4	.
2	18		9

Ответ: ₉⁴ .

Задача 5.

Вычислить интеграл

9	x		1	dx.
			1
4		x

Указание

Найдите первообразную подынтегральной функции, представив числитель дроби как разность квадратов, а затем воспользуйтесь формулой Ньютона-Лейбница.

Решение

(

1)(

( x 1)dx

x 2

9 ²

4 ²

Ответ: ²³₃ .

1.2.3. Замена переменной и интегрирование по частям

определенном интеграле. Геометрические приложения определенного интеграла.

Теорема 1. Если:

функция f(x) непрерывна на отрезке [a,b],

функция (t) непрерывна и имеет непрерывную производную ’(t) на

отрезке [, ], где a =(), b =( ),

функция f ( (t)) определена и непрерывна на отрезке [ , ],

то

f ( x )dxf (( t ))( t )dt.(1)

Доказательство.

Если F(x) – первообразная для f(x), то

f ( x )dxF ( x )C,

f (( t ))( t )dtF(( t ))C.

Тогда, используя формулу Ньютона – Лейбница, получим:

f ( x )dxF ( x )

F ( b )F ( a),

f (( t ))( t )dtF (( t )

F (())F(())F( b )F( a ),

откуда следует справедливость формулы (1).

Замечание. В отличие от неопределенного интеграла, в определенном интеграле нет необходимости возвращаться к прежней переменной интегрирования, так как результатом вычисления будет число, не зависящее от выбора переменной.

Пример.

Вычислить интеграл

dx.

Сделаем замену:

откуда

t ²

x 2t .

При этом

Тогда

2 ( t ²

4)dt

t ³

Теорема 2. Если функции u(x) и производными на отрезке [a,b], то

( t ²

4)2t

v(x)непрерывнывместесосвоими

udvuv

vdu.(2)

(Формула(2)называетсяформулойинтегрированияпочастямдля

определенного интеграла).

Доказательство.

bbbb

( uv ) dx( uvu v )dxudvvdu..

aaaa

Все интегралы в этом равенстве существуют, так как подынтегральные функции непрерывны. При этом

( uv ) dxuv

поэтому

bbb

udvvdu ,

aaa

откуда следует (2).

Примеры.

Вычислить интеграл

xe ^x dx.

Пусть u = x, dv = e^xdx. Тогда du = dx, v = e^x. Применим формулу (2):

xde ^x

xe ^x

e ^x dx

2 e ²

e ^x

2 e ²

e e ²

e e² .

arcsin xdx

xd arcsin x

x arcsin x

xdx

1 ²

2xdx

1 x²

12 2₀

) 2 d(1

)

2 1

x²

(При интегрировании принималось u = x, v = arcsinx).

Вычислить

e ^x sin xdx.

Пусть u = e^x, dv = sinxdx. Тогда du = e^xdx, v = -cosx. Следовательно,

e^x sin xdx	e^x cos x		cos x e^xdx
0		0	0

1 cos x e^xdx.

Применим к интегралу в правой части полученного равенства еще раз формулу интегрирования по частям, положив u = e^x, dv = cosxdx:

e^x sin xdx	e	1 e^x sin x		sin x e^xdx
0			0	0
e 1 0	0	e^x sin xdx e		1 e^x sin xdx.
		0

Поскольку при этом в правой части равенства стоит такой же интеграл, как в левой, его значение можно найти из уравнения:

2 e ^x sin xdx		e	1,
0
то есть
e ^x sin xdx	1	( e	1).
	2
0

Геометрические приложения определенного интеграла

Вычисление площадей плоских фигур

Вспомним, каким образом вводилось понятие определенного интеграла. С геометрической точки зрения интегральная сумма представляет собой (при

f(x) > 0) сумму площадей прямоугольников с основаниемx_i и высотой f( _i).

	b
Переходя к пределу при \| \|→0, получаем, что	f ( x )dx при f(x) > 0
	a

представляет собой площадь так называемой криволинейной трапеции aА₁В₁b, то есть фигуры, ограниченной частью графика функции f(x) от х = а до x = b и отрезками прямых х = а, x = b и у = 0 (рис. 1):

y = f(x)

A₁

B₁

Рис. 1

Sf ( x )dx.(3)

Если требуется найти площадь фигуры, ограниченной графиками двух функций: f₁(x) и f₂(x) (рис. 2), то ее можно рассматривать как разность площадей двух криволинейных трапеций: верхней границей первой из них служит график функции f₂(x), а второй – f₁(x).

^yy = f₂(x)

A1S

y = f₁(x)

B₁

a	b	x

Рис. 2

Таким образом,

b	b		b
S	f ₂ ( x )dx	f ₁ ( x )dx	( f ₂ ( x ) f ₁ ( x ))dx. (4)
a	a		a

Замечание 1. Формула (4) справедлива, если графики функций f₁(x) и f₂(x) не пересекаются при a < x < b.

Замечание 2. Функции f₁(x) и f₂(x) могут при этом принимать на интервале [a,b] значения любого знака.

Пример.

Найти площадь фигуры, ограниченной графиками функций y = x² - 3x – 5 и y

x – 5.

Найдем абсциссы точек пересечения указанных графиков, то есть корни

уравнения x² - 3x – 5 = x – 5. x² - 4x = 0, x₁ = a = 0, x₂ = b = 4. Таким образом, найдены пределы интегрирования. Так как на интервале [0,4] прямая y = x –

5 проходит выше параболы у = x² - 3x – 5, формула (4) примет вид:

4	4
S( x 5 ( x ²	3 x 5))dx (4 x x ² )dx
0	0

2 x²

x³

Площадь в полярных координатах

Введем на плоскости криволинейную систему координат, называемую полярной. Она состоит из точки О (полюса) и выходящего из него луча (полярной оси).

_О

Рис.3

Координатами точки М в этой системе (рис. 3) будут длина отрезка МО – полярный радиус и угол между МО и полярной осью: М( , ). Отметим,

что для всех точек плоскости, кроме полюса,> 0, а полярный уголбудем

считать положительным при измерении его в направлении против часовой стрелки и отрицательным – при измерении в противоположном направлении.

Замечание. Если ограничить значения интервалом [0, ] или [- , ], то каждой точке плоскости соответствует единственная пара координат ( , ). В других случаях можно считать, что может принимать любые значения, то есть полярный угол определяется с точностью до слагаемого, кратного 2 .

y = sin

x = cos

Рис. 4

Связь между полярными и декартовыми координатами точки М можно задать, если совместить начало декартовой системы координат с полюсом, а

положительную полуось Ох – с полярной осью (рис. 4). Тогда x= cos , у= sin . Отсюда

х ²у² ,tg^у_х .

Выясним, как с помощью определенного интеграла вычислить площадь фигуры, границы которой заданы в полярных координатах.

а) Площадь криволинейного сектора

=()

Рис.5

Найдем площадь фигуры, ограниченной частью графика функции = ( ) и отрезками лучей = и = . Для этого разобьем ее на п частей лучами

_iи найдем сумму площадей круговых секторов, радиусами которых

служат

суммы площадей рассматриваемых секторов можно составить интегральную сумму

2	_i, где			i 1 ^.
i		i	i

В пределе при max_i0 получим, что площадь криволинейного сектора

S	1	²d .
	2

б) Площадь замкнутой области

Если рассмотреть замкнутую область на плоскости, ограниченную кривыми, уравнения которых заданы в полярных координатах в виде

₁( )u₂( )₁( )₂( ) ,

а полярный угол принимает для точек внутри области значения в пределах от до (рис. 6), то ее площадь можно вычислять как разность площадей криволинейных секторов, ограниченных кривыми

₁(

)

₂( ),

то есть

(

₁² )d . (5)

=₂()

=₁()

Рис.6

Пример.

Вычислим площадь области, заключенной между дугой окружности x² + y² = 1 и прямой

npu

В точках пересечения прямой и окружности

, y

то есть полярный угол изменяется внутри области в пределах от

до

(рис.7).

х=1/2

Рис. 7

Уравнение окружности в полярных координатах имеет вид = 1, уравнение прямой –

cos	1	, то есть	1	.
	2		2 cos

Следовательно, площадь рассматриваемой области можно найти по формуле

4 cos ²

¹. .

Длина дуги кривой

а) Длина дуги в декартовых координатах

Рассмотрим функцию y = f(x), непрерывную на отрезке [a,b] вместе со своей производной. Выберем разбиение отрезка [a,b] и будем считать длиной

дуги кривой, являющейся графиком f(x), от х=а до x=b предел при | |→0 длины ломаной, проведенной через точки графика с абсциссами х₀ , х₁ ,…, х_п (точками разбиения ) при стремлении длины ее наибольшего звена к нулю:

			n
l	lim	0	l_i .
	max l_i		i 1

Убедимся, что при поставленных условиях этот предел существует. Пусть

y _if ( x_i )f ( x_i ₁ ).

Тогда

y_i

(

x )

(

)

x_i

(рис. 8).

уy=f(x)

liy_i

х_i

хi-1

х_i

Рис. 8

По формуле конечных приращений Лагранжа

y _i

f ( x_i )

f ( x_i ₁ )

f ( _i ), где x_i ₁_ix_i .

x_i

Поэтому

( f (

))²

x ,

а длина ломаной

( f (

))²

Из непрерывности f(x) и f ( x) следует и непрерывность функции

1( f ( x))² ,

следовательно, существует и предел интегральной суммы, являющейся длиной ломаной, который равен

^max^xi ⁰ _i ₁

		b
1 ( f ( _i ))² x _i		1 ( f ( x )) ² dx.

Таким образом, получена формула для вычисления длины дуги:

1 ( f ( x ))² dx

dx. (6)

Пример.

Найти длину дуги кривой

yln xomx 3ox 15.

((ln x ) )

x²

_x2

x ² 1

xdx

x²

Сделаем замену:

_x2

тогда

xdx

x ²

u ² 1,

_x2

а пределами интегрирования для u будут u=2 (при х = 3 ) и и = 4 (при х = 15 ). Получим:

_u2

u ² 1

u 1 u 1

2 u ln

u 1

б) Длина дуги кривой, заданной в параметрической форме Если уравнения кривой заданы в виде

x	( t )	, где	t	,
y	( t )

а(t) и(t) – непрерывные функции с непрерывными производными, причем

( t )0на,,

то эти уравнения определяют непрерывную функцию y = f(x), имеющую непрерывную производную

( t )

Если

( ),

то

( t )

( t )dt,

( t )

или

( t ) ²

( t ) ² dt. (7)

Замечание. Если пространственная линия задана параметрическими уравнениями

( t )

( t ) ,

( t )

то при указанных ранее условиях

l ( t ) ²( t ) ²( t ) ² dt.(7 )

в) Длина дуги в полярных координатах

Если уравнение кривой задано в полярных координатах в виде= f(), то x

cos = f( )cos , y = sin = f( )sin – параметрические уравнения относительно параметра . Тогда для вычисления длины дуги можно

использовать формулу (7), вычислив предварительно производные х и у по:

f (

) cos

f (

) sin

f (

) sin

f (

) cos .

Следовательно,

dx ²

dy ²

f ( ) ²

2 _,

поэтому

²d .

(8)

Пример.

Найти длину дуги спирали Архимеда=от= 0 до= 2.

arctg 2

arctg 2 _cos _t_dt

cos t

cos ² t

cos⁴ t

arctg 2

d sin t

1 4 ²

sin t )² (1 sin t )²

u ) ² (1 u)²

₁14²₁

4₀1u

1_ln1 u

41u

1 u

(были применены замены= tg t и u = sint).

Вычисление объемов тел

Пусть имеется некоторое тело, для которого известна площадь любого его сечения плоскостью, перпендикулярной оси Ох, являющаяся функцией от х: Q = Q(x). Определим объем рассматриваемого тела в предположении, что Q – непрерывная функция. Если значение х внутри тела меняется от а до b, то можно разбить тело на слои плоскостями х = х₀ = а, х = х₁, х = х₂,…, х = х _n =

b. Затем выберем в каждом слое значение х = _i , x_i_-₁ ≤ _i ≤ x_i , и рассмотрим сумму объемов цилиндров с площадями оснований Q( _i) и высотами x_i = x_i

– x_i_-₁ . Эта сумма будет равна

v_nQ( _i )x_i .

Получена интегральная сумма для непрерывной функции Q(x) на отрезке [a,b] , следовательно, для нее существует предел при | | → 0, который равен определенному интегралу

vQ( x )dx,(9)

называемому объемом данного тела.

Замечание. Если требуется определить объем так называемого тела вращения, то есть тела, образованного вращением вокруг оси Ох криволинейной трапеции, ограниченной частью графика функции y = f(x) от

= а до x = b и отрезками прямых х = а, х = b и у =0, то площадь сечения такого тела плоскостью x = const равна

y ²( f ( x))² ,

и формула (9) в этом случае имеет вид:

y ² dx( f ( x ))² dx. (9 )

Пример.

Найдем объем эллипсоида вращения

_x2

y ²

z²

При x = const сечениями будут круги

y ²

z²

x²

с радиусом

_x2

и площадью

x²

Q( x)

Применим формулу (9’), учитывая, что х изменяется от –2 до 2:

v = v

_x2

x³

⁸₃ .

Площадь поверхности тела вращения

Пусть требуется определить площадь поверхности, полученной вращением кривой y = f(x) вокруг оси Ох при a x b. Выберем разбиение отрезка

[a,b] и рассмотрим, как и при определении длины кривой, ломаную, проходящую через точки кривой с абсциссами x_i . Каждый отрезок такой ломаной при вращении опишет усеченный конус, площадь боковой поверхности которого равна

		^yi 1 ^y i			^yi 1	y _i		y_i	2
S_i	2		l_i	2			1			x_i .
		2			2			x_i

По формуле конечных приращений Лагранжа

y _i	f ( x_i )	f ( x_i ₁ )	f ( _i ), где x_i ₁_i	x_i .
^xi	^xi	^xi 1

Поэтому

S_i2^yⁱ¹₂ ^yⁱ1f ² ( _i )x_i .

Следовательно, площадь всей поверхности, описанной ломаной при вращении, равна

	n
S	f ( x	) f ( x )	1 f	2 ₍	i	) x	.
n	i 1	i

Назовемплощадьюповерхностивращенияпределэтойсуммыпри

maxl_i0.

Заметим, что эта сумма не является интегральной суммой для функции

2f ( x )1f ( x)² ,

так как в каждом ее слагаемом фигурирует несколько точек данного отрезка разбиения. Однако можно доказать, что предел такой суммы равен пределу интегральной суммы для

2f ( x )1f ( x)² ,

откуда получаем формулу для площади поверхности вращения:

S2f ( x )1f ² ( x )dx.(10)

Пример.

Вычислим площадь поверхности, полученной вращением части кривой

yxomx0ox1.

Используя формулу (10), получим:

dx 2

( x

₎2

Примеры решения задач

Задача 1.

Вычислить интеграл

_e3	dx
		.
1 ^x
	1 ln x

Указание

Сделайте замену

ln x.

Решение

ln x

ln x ) dx

;

ln 1

x e ³

t 1 ln e ³

1 3 ln e 1 3 4.

e³

2(2

1) 2.

2 dt

₁x

ln x

Ответ: 2.

Задача 2.

Вычислить интеграл

x²

dx.

Указание

Сделайте замену

sin t

Решение

sin² t

sin t

sin ² t

sin² t

cos ² t

cos t

;

sin ² t cos tdt

cos tdt

;

sin ² t

sin t

sin² t

t arcsin

1 t

arcsin 1

;

arcsin

x ²

⁶cos t

sin t

cos tdt

²cos² t

sin ² t

1 dt

sin² t

sin ² t

sin² t

ctgtt

ctg

Ответ: 3₃.

Задача 3.

Вычислить интеграл

x ³ cos xdx.

Указание

Примените формулу интегрирования по частям.

Решение

Применим формулу интегрирования по частям:

ux ³ ,du3 x ² dx ;dvcos xdx ,vsin x.

Тогда

x ³ cos xdxx ³ sin x

sin x 3 x ² dx.

Вновь применим к полученному интегралу формулу интегрирования по частям:

ux ² ,du2 xdx ;dvsin xdx ,vcos x.

Получим

x ³ cos xdx

x ³ sin x

x ² cos x

0 3 ²

x sin x

sin x x ² dx

x cos xdx

sin xdx

3²6 cos x

Ответ: 123².

Задача 4.

Вычислить интеграл

123².

ln( x1)dx.

Указание

Примените формулу интегрирования по частям.

Решение

Применим формулу интегрирования по частям:

ln( x

1),

; dv

e 1

ln( x

1)dx

x ln( x

dx ,vx.

^e₀¹ _x ^x ₁ dx

( e 1) ln e 0

e 1

x 1 1

e 1

e 1 x ln|x 1|

1 ( e 1 1) 1.

Ответ: 1.

Задача 5.

Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями

y	1	u y	_x2	.
	1 x²		2

Указание

Постройте графики функций, ограничивающие фигуру, и найдите абсциссы точек их пересечения. Затем вычислите площадь фигуры по формуле

Sf ₂ ( x )f ₁ ( x ) dx,

где f₁(x) – функция, график которой является нижней границей фигуры, а f₂(x)

– функция, задающая верхнюю границу.

Решение

у=х²/2

				у=1/(х²+1)
			-1	1	х

x²	1		x ⁴ x ²	2 0, x ²	1, x	1
2		1 x²

найдены пределы интегрирования.

Ответ: ₂₃¹ .

x ²

arctgx

x³

1 x²

Задача 6.

Найти площадь фигуры, ограниченной линией= sin2.

Указание

Определите возможные значения , при которых принимает положительные значения. Затем вычислите площадь в полярных координатах по формуле

²( )d .

Решение

Неравенство sin2> 0 выполняется в пределах от 0 до 2для

Построим схематический график функции

= sin2 :

Поскольку фигура состоит из двух одинаковых частей, можно вычислять площадь только одной из них:

S2 ¹ ² sin ² 2 d

2 ₀

1		1	sin 2
2	4

Ответ: ₄ .

Задача 7.

Найти длину линии

yxx ²

cos 4

arcsin x.

Указание

Найдите область определения заданной функции, а затем воспользуйтесь формулой

	b
l	1 ( f ( x ))² dx.
	a

Решение

Область определения заданной функции является решением системы неравенств

x	_x2	0	0 x	1.
0	x	1

Найдем вид подынтегральной функции:

f ( x)

1 2 x

2 2x

2 x x ²

1 x 2 x

2 x x²

x)²

x(1

x )

1 f ² ( x)

1 x

f ² ( x )

Следовательно,

;

x 1

;

x 2 .

lx 2 dx2x

Ответ: 2.

Задача 8.

Найти длину линии

2		2
x	3	y

Указание

Представьте линию в параметрическом виде:

cos ³ t,
_sin3 _t_, ⁰ ^t ²^.

Решение

Представим линию в параметрическом виде:

cos ³ t,
_sin3 _t_, ⁰ ^t ²^.

Тогда

x ( t ) 3 cos ² t(			sin t )			3 sin t cos ² t,
	y ( t )		3 sin ² t cos t ,
x ² ( t ) y ² ( t )		9 sin ² t cos ⁴ t					9 sin ⁴ t cos² t
9 sin ² t cos ² t(cos ² t				sin ² t )			9 sin ² t cos ² t,

	x ² ( t )	y ² ( t )		3	sin t cos t			.

Обратите внимание на появление модуля: арифметический корень четной степени должен быть неотрицательным, а sin t и cos t в разных четвертях принимают значения разных знаков.

2		2
x	3	y

Но, поскольку из формулы, задающей линию в декартовых координатах, видно, что кривая симметрична относительно каждой из координатных осей, можно найти длину ее части, расположенной в первой координатной четверти, где синус и косинус принимают неотрицательные значения, а затем умножить результат на 4:

	2		2
l 4 3 sin t cos tdt		12 sin td sin t 6 sin ² t
0		0

Ответ: 6.

Задача 9.

Найти объем тела, образованного вращением линии

yx ³(0x3)

вокруг оси абсцисс.

Указание

Воспользуйтесь формулой

vy ² dx.

Решение

x ⁶ dx

_x7

2187

Ответ: ²¹⁸⁷.

Задача 10.

Вычислить площадь поверхности, образованной вращением кривой

x 2

вокруг оси абсцисс.

Указание

Примените формулу

S 2

f ( x ) 1 f ² ( x )dx.

Решение

Определим вид подынтегральной функции:

f ( x )

; 1 f ² ( x) 1

4( x

4( x 2)

4 x 7

;

x 2

f ( x ) 1 f ² ( x )

4 x 7

x 2

4 x 7

(4 x

7) 2 dx

(4 x

7)2

125

Ответ:

1.2.4. Несобственные интегралы с бесконечными пределами

интегрирования. Теорема сравнения для интегралов от неотрицательных функций. Абсолютная и условная сходимость. Признак абсолютной сходимости. Несобственные интегралы от неограниченных функций, исследование их сходимости

Расширим понятие определенного интеграла на случай неограниченной области. Такую область можно получить, либо приняв какой-либо из пределов интегрирования равным бесконечности, либо рассматривая график функции с бесконечными разрывами (то есть неограниченной). Рассмотрим отдельно каждый из указанных случаев.

Несобственные интегралы с бесконечными пределами

(несобственные интегралы 1-го рода)

Пусть функция f(x) определена и непрерывна при х > а. Тогда интеграл

f ( x )dx

имеет смысл при любом b > a и является непрерывной функцией аргумента b. Если существует конечный предел

limf ( x )dx,

то его называют несобственным интегралом 1-го рода от функции f(x) на

интервале [ a , ) и обозначают		f ( x )dx. Таким образом, по определению
	a
		b
	f ( x )dx	lim f ( x )dx. (1)
	a	b
		a

При этом говорят, что несобственный интеграл существует или сходится. Если же не существует конечного предела (1), несобственный интеграл не существует или расходится.

Геометрической интерпретацией несобственного интеграла 1-го рода является площадь неограниченной области, расположенной между графиком функции y=f(x) , прямой х = а и осью Ох (рис. 1).

у
	y=f(x)
а	b	х

Рис. 1

Замечание. Аналогичным образом можно определить и несобственные интегралы 1-го рода для других бесконечных интервалов:

f ( x )dxlimf ( x )dx,

f ( x )dxf ( x )dxf ( x )dx.

частности, последний интеграл существует только в том случае, если сходятся оба интеграла, стоящие в правой части равенства.

Часто достаточно бывает только установить сходимость или расходимость несобственного интеграла и оценить его значение.

Лемма.

Если f ( x)0 на интервале [ a ,), то для сходимости интеграла

f ( x )dx

необходимо и достаточно, чтобы множество всех интегралов

f ( x )dx( ba)

было ограничено сверху, то есть чтобы существовала такая постоянная c > 0, чтобы b [ a , ) выполнялось неравенство

f ( x )dxc.

Доказательство.

Рассмотрим функцию

g( b )f ( x )dx

и покажем, что в условиях леммы она монотонно возрастает на[ a ,).

Действительно, при a b	b₁
	b₁	b	b₁
g( b₁ )	f ( x )dx	f ( x )dx	f ( x )dx
	a	a	b
	b
	f ( x )dx g( b ),
	a
так как при
		^b1
	f ( x ) 0	f ( x )dx 0.
		b
Следовательно, функция	g(b) монотонно возрастает и ограничена сверху,

поэтому она имеет конечный предел приx,что по определению

означает существование интеграла

( x )dx.

Теорема 1 (признак сравнения). Пусть

0( x )f ( x )npux[ a ,).

Тогда:

если интеграл

f ( x )dx

сходится, то сходится и интеграл

( x )dx;

2)если интеграл

( x )dx

расходится, то расходится и интеграл

( x )dx.

Доказательство.

Из условия теоремы следует, что

( x )dxf ( x )dxb[ a ,).

Поэтому, если интегралы

f ( x )dx

ограничены сверху (по лемме), то сверху ограничены и интегралы

( x )dx,

следовательно,

( x )dx

сходится (по той же лемме). Если же интеграл

( x )dx

расходится, то, если бы интеграл

f ( x )dx

сходился, то по ранее доказанному

( x )dx

должен был бы сходиться, что противоречит сделанному предположению. Значит, в этом случае

f ( x )dx

расходится. Теорема полностью доказана.

Следствие.

Пусть

f ( x ) 0, ( x) 0 на [ a , ),

( x ) 0

[ a , ),

и существует конечный или бесконечный предел

lim

f ( x)

( x)

Тогда

а) если интеграл

( x )dx

сходится и 0 k

, то сходится и интеграл

f ( x )dx;

б) если интеграл

( x )dx

расходится и 0k, то интеграл

f ( x )dx

тоже расходится.

В частности, если k = 1, то есть функции f(x) и(х) эквивалентны при x,

то интегралы

f ( x )dxu( x )dx

сходятся и расходятся одновременно.

При применении признака сравнения удобно сравнивать подынтегральную функцию с функцией

для

которой

сходимость

или

расходимость

соответствующего

несобственного интеграла легко установить непосредственно. Пусть

тогда

x¹

lim

a ^x

_x1 b

x¹

(

lim

x¹

1 ⁽

При=1

lim ^b

dx lim ln|x|

a ^x

Следовательно,

¹dx

a^x

b
	lim(ln b ln a)	.
a	b

сходится при> 1 и расходится при< 1.

Пример.

Исследуем на сходимость

2 x

dx.

x ³

x ²

5 x 12

При x

подынтегральная функция эквивалентна

.. Таким образом, =

x²

2 > 1, и данный интеграл сходится.

Абсолютная сходимость несобственных интегралов 1-го рода Несобственный интеграл

f ( x )dx

называют абсолютно сходящимся, если сходится интеграл

| f ( x )|dx.

Функция f(x) называется при этом абсолютно интегрируемой на [ a ,).

Признак абсолютной сходимости несобственного интеграла (критерий Коши) – без доказательства.

Для того чтобы

f ( x )dx

абсолютно сходился, необходимо и достаточно, чтобы для любого > 0 существовало такое , что при ’ > , ’’ >

| f ( x )|dx.

Теорема 2. Если интеграл

f ( x )dx

абсолютно сходится, то он сходится и в обычном смысле.

Доказательство.

Согласно критерию Коши

f ( x )dx

| f ( x )|dx

Следовательно, существует конечный предел

f ( x )dxnpub,

то есть рассматриваемый интеграл сходится.

Несобственные интегралы от функций с бесконечными разрывами (несобственные интегралы 2-го рода)

Пусть функция f(x) определена и непрерывна при a < x < b и имеет разрыв

при x = b. Тогдаf ( x )dx определяется следующим образом:

f ( x )dx

lim f ( x )dx (2)

называется несобственным интегралом 2-го рода. Если предел, стоящий справа, существует и конечен, интеграл называется сходящимся, в противном случае – расходящимся.

Аналогичным образом определяются несобственные интегралы от функции, имеющей разрыв при х = а:

f ( x )dxlimf ( x )dx,

0 _a

y=f(x)

Рис. 2

и от функции, разрывной в точке с (a<c< b):

f ( x )dx

f ( x )dx,

если существуют оба интеграла, стоящие в правой части равенства.

Для несобственных интегралов 2-го рода справедливы те же

утверждения, что и для несобственных интегралов 1-го рода:

Теорема 3(признак сравнения). Пусть функции f(x) и (х) непрерывны при

x b и имеют разрыв при x = b. Пусть, кроме того,

0 ( x) f ( x) npu x [ a , b).

Тогда:

если интеграл

f ( x )dx

сходится, то сходится и интеграл

( x )dx;

2)если интеграл

( x )dx

расходится, то расходится и интеграл

( x )dx.

Теорема 4. Если f(x) – знакопеременная функция, непрерывная на [a,b) и имеющая разрыв при x =b, и если

| f ( x )|dx

сходится, то сходится и интеграл

( x )dx.

Замечание 1. Эти теоремы доказываются так же, как теоремы 1 и 2. Замечание 2. При выполнении условий теоремы 4 несобственный интеграл

f ( x )dx

называется абсолютно сходящимся, а функция интегрируемой.

Следствие из теоремы 3.

Если

f ( x )

npu x b,

( b

то при< 1f ( x )dx сходится, а при> 1 расходится.

Доказательство.

( b

x )

lim

( b x )

( b

a)¹

lim(ln( b

)

lim

)( b

a) ¹

0 (1

)

Таким образом, интеграл

_a( b

сходится при< 1 и расходится при> 1.

f(x)–абсолютно

Примеры решения задач

Задача 1.

Вычислить несобственный интеграл

	x
		dx
0	( x 3)⁴

или установить его расходимость.

Указание

Вычислите определенный интеграл

( x 3)⁴

и найдите его предел при B.

Решение

^B( x 3) 3

lim

₀( x 3)

( x 3)

lim

( x

2( x

( x

lim

2( B

3)²

( B

3) ³

Ответ:

Задача 2.

Вычислить несобственный интеграл

_x2 ₄ _x ₁₃^dx

или установить его расходимость.

Указание

Представьте данный интеграл в виде суммы двух несобственных интегралов:

x ² 4 x 13

x ²

4 x 13

вычислите каждый из них по отдельности.

Решение

dx;

_x2

4 x 13

_x2

4 x 13

_x2

4 x 13

lim

4 x

_Ax

4 x 13

lim

d( x

lim

_A( x 2)²

3 A

lim

arctg

;

₃A

lim arctg

arctg

;

₀x ²

4 x 13

6 3

arctg

_x2

4 x 13

6 6 3

Ответ: ₃ .

Задача 3.

Указать, при каких значениях k сходится интеграл

x ln^k x^.

Указание

Сделайте замену t = ln x и определите порядок малости подынтегральной функции относительно функции _t¹_a , несобственный интеграл 1-го рода от которой сходится при a > 1 и расходится при a < 1.

Решение

	dx		1		d ln x ^t ^ln ^x		1	dt
	x ln ^k x		ln^k	x
e		e				1	t^k

сходится при k > 1.

Ответ: k > 1.

Задача 4.

Вычислить несобственный интеграл

		dx
0	1 x²

или установить его расходимость.

Указание

Подынтегральная функция имеет бесконечный разрыв при х = 1. Рассмотрите определенный интеграл

		dx
0	1 x²

и перейдите к пределу при

Решение

		dx
0	1 x ²

lim ln
0

lim

0 ¹

lim

1 x

lim ln

интеграл расходится.

Ответ: интеграл расходится.

Задача 5.

Вычислить несобственный интеграл

¹dx

₀x ( x1)

или установить его расходимость.

Указание

Представьте данный интеграл в виде суммы двух интегралов:

( x 1)

1		dx	1			dx,
			1
	( x 1)				( x 1)
x				x

первый из которых является несобственным интегралом 2-го рода от функции с бесконечным разрывом при х = 0, а второй – несобственным интегралом 1-го рода.

Решение

dx;

( x 1)

lim

t x

2 lim

( t

x ( x 1)

2 lim arctg t

2 lim arctg 1

arctg

;

2 lim arctg t

₁x ( x 1)

( x 1)

B
1	²2 4	2 ^;

	.
2

Ответ:.

2.1. Дифференциальные уравнения 1-го порядка

2.1.1. Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям.

Дифференциальные уравнения первого порядка. Изоклины. Задача Коши. Теорема существования и единственности задачи Коши

Уравнения, в которые неизвестная функция входит под знаком производной или дифференциала, называются дифференциальными уравнениями. Подобными уравнениями описываются многие физические явления и процессы.

Примеры.

1)kx

уравнение радиоактивного распада ( k – постоянная распада, х – количество

неразложившегося вещества в момент времени t, скорость распада ^dx dt

пропорциональна количеству распадающегося вещества).

2)	m	d ² r	F( t , r,	dr	)
		dt ²		dt

уравнение движения точки массы т под влиянием силы F, зависящей от времени, положения точки, определяемого радиус-вектором r, и ее скорости

^dr_dt . Сила равна произведению массы на ускорение.

- ²u ²u
_x₂_y₂_z₂4 ( x , y , z)²

уравнение Пуассона, задающее зависимость между многими физическими величинами. Например, можно считать, что u(x,y,z) – потенциал

электростатического поля, а(x,y,z) – плотность зарядов.

Мы будем рассматривать уравнения, где неизвестная функция является функцией одной переменной. Такие уравнения называются обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Уравнение вида

F( x , u( x), u ( x), u ( x),..., u⁽ ⁿ⁾( x))0(1)

называется обыкновенным дифференциальным уравнением п-го порядка. При этом порядком уравнения называется максимальный порядок входящей в него производной.

Функция, которая при подстановке в уравнение (1) обращает его в тождество, называется решением дифференциального уравнения.

Дифференциальные уравнения первого порядка, разрешенные относительно производной

Рассмотрим уравнение вида

^dyf ( x , y).(2)

Можно показать, что общее решение такого уравнения зависит от одной произвольной постоянной. С геометрической точки зрения уравнение (2) устанавливает зависимость между координатами точки на плоскости и

угловым коэффициентом ^dy_dx касательной к графику решения в той же точке. Следовательно, уравнение (2) определяет некоторое поле направлений, и задача его решения состоит в том, чтобы найти кривые, называемые интегральными кривыми, направление касательных к которым в каждой точке плоскости совпадает с направлением этого поля.

Примеры.

- dy y _. dx x
каждой точке, кроме начала координат, угловой коэффициент к искомой

интегральной кривой равен ^y_x , то есть тангенсу угла, образованного с осью Ох прямой, проходящей через данную точку и начало координат. Следовательно, интегральными кривыми в данном случае будут прямые вида

= сх (рис.1).

Рис. 1

dyx _.

dxy

этом случае касательная в каждой точке плоскости перпендикулярна направлению прямой, проходящей через эту точку и начало координат, так

100

как угловые коэффициенты этих прямых удовлетворяют условию ортогональности:

Поэтому направление касательной в данной точке совпадает с направлением касательной к окружности с центром в начале координат, на которой лежит выбранная точка. Такие окружности и являются интегральными кривыми данного уравнения (рис. 2).

Рис. 2

Часто для построения интегральных кривых удобно предварительно найти геометрическое место точек, в которых касательные к искомым интегральным кривым сохраняют постоянное направление. Такие линии называются изоклинами.

Пример.

Изоклины уравнения

^dy_x2 _y2

задаются уравнениями

x ²y ²kилиx ²y ²k² ,

так как на каждой изоклине производная ^dy_dx должна сохранять постоянное значение. Полученные уравнения задают семейство концентрических окружностей с центром в начале координат, а угловой коэффициент касательной к интегральной кривой равен радиусу проходящей через данную точку окружности.

Задача Коши для уравнения первого порядка

Как уже было сказано, общим решением уравнения (2) является все множество функций, обращающих при подстановке рассматриваемое

101

уравнение в тождество. Пусть теперь требуется найти решение этого уравнения, удовлетворяющее условию

y( x₀ )y₀ ,(3)

называемому начальным условием. Если общее решение уравнения (2) задается формулой

( x , C),(4)

то значение постоянной С, соответствующее поставленному начальному условию, можно определить, подставив в равенство (4) х = х₀ и у = у₀. Задача выбора из общего решения (4) уравнения (2) решения, удовлетворяющего начальному условию (3), называется задачей Коши, а выбранное решение называется частным решением уравнения (2). Замечание. Если воспринимать множество всех решений уравнения (2) как множество интегральных кривых на плоскости, то ставится задача поиска той из них, которая проходит через точку с координатами (х₀ , у₀). Выясним, при каких условиях такая кривая существует и является единственной.

Теорема существования и единственности задачи Коши

Рассмотрим предварительно метод приближенного решения дифференциальных уравнений, обоснование которого будет дано в приведенной ниже теореме.

Метод Эйлера

Метод Эйлера заключается в том, что искомая интегральная кривая уравнения (2), проходящая через точку (х₀ , у₀ ), заменяется ломаной, каждое звено которой касается интегральной кривой в одной из своих граничных точек (рис. 3).

у
у0
h
х₀	х₁	b	х

Рис. 3

Пусть требуется найти приближенное значение искомого решения при x = b. Разделим отрезок [x₀ ,b] на п равных частей (полагаем, что b > x₀) и назовем шагом вычисления h длину отрезка [x_i_-₁ , x _i ] . Заменим на отрезке [x₀ , x₁] интегральную кривую отрезком ее касательной в точке (х₀ , у₀). Ордината этого отрезка при х = х₁ равна y₁ = y₀ + hy₀’, где у₀’ = f(x₀ ,y₀). Так же найдем

102

^y2	^y1	hy₁ ,	где	^y1	f	x₁ , y₁ ;
y ₃	y ₂	hy₂ , где y ₂			f	x ₂ , y₂ ;
.......................................................
^yn ^y n 1		hy_n ₁ ,	где	^yn 1		f x_n ₁ , y_n ₁ .

Можно предположить, что при h 0 построенные таким образом ломаные Эйлера приближаются к графику искомой кривой. Доказательство этого утверждения будет дано в следующей теореме:

Теорема 1 (теорема существования и единственности решения). Если в уравнении

^dyf ( x , y)

функция f(x,y) непрерывна в прямоугольнике D:

x₀axx₀a ,y ₀byy ₀b(5)

и удовлетворяет в D условию Липшица:

| f ( x , y ₁ )f ( x , y ₂ )| N|y ₁y₂|,(6)

где N – постоянная, то существует единственное решение

y( x), x₀ H x x₀ H,

уравнения (2), удовлетворяющее условию (3) , где

min( a , _M^b , _N¹ ), M max f ( x , y) в D.

Замечание 1. Нельзя утверждать, что искомое решение будет существовать при x [ x₀ a , x₀ a], так как интегральная кривая может выйти из прямоугольника (5), и тогда решение может быть не определено.

Замечание 2. Условие Липшица (6) можно заменить более сильным требованием

| f _y ( x , y )| NвD.

Тогда по теореме Лагранжа
\| f ( x , y₁ ) f ( x , y ₂ )\| f _y ( x , )\|y ₁ y₂ \|, где y₁	y₂ .

Таким образом,

Du| f _y ( x ,)| N.

Поэтому

| f ( x , y ₁ )f ( x , y ₂ )| N|y ₁y₂|.

Доказательство теоремы 1.

Заменим уравнение (2) с начальным условием (3) эквивалентным интегральным уравнением

	x
y y ₀	f ( x , y )dx.	(7)

^xo

103

Легко проверить, что функция, обращающая в тождество уравнение (2), будет решением и уравнения (7).

Построим ломаную Эйлерау = у_п(х), исходящую из точки (х₀ ,у₀) с шагом

на отрезке [x₀ , x₀ + H] (аналогично можно доказать существование

решения на [x₀ – H, x₀]). Такая ломаная не может выйти за пределы D, так как угловые коэффициенты каждого ее звена по модулю меньше М. Теперь докажем последовательно три утверждения:

Последовательность у = у_п(х) равномерно сходится.

Функция

( x )

lim y _n ( x)

является решением интегрального уравнения (7).

Решение

( x) уравнения (7) единственно.

Доказательство 1). По определению ломаной Эйлера

y_n ( x)

f ( x_k , y _k )

npu

x_k

x_k ₁ , k

0, 1,..., n

или

y_n ( x )

f ( x , y _n ( x )) ( f ( x_k , y _k )

f ( x , y _n ( x)). (8) .

Обозначим

f ( x_k , y _k ) f ( x , y _n ( x ))

_n( x),

тогда в силу равномерной непрерывности f(x) в D

| _n ( x )| | f ( x_k , y _k )

f ( x , y _n ( x))|

(9)

при n

N( _n ), где _n

0 при n

, так как

| x x _k | h_n , a | y _k

y _n ( x )| Mh_n ,

h_n

npu

что y _n ( x₀ ) y₀ ,

Интегрируя (8) по х в пределах от х₀ до х и учитывая,

получим:

y _n ( x ) y ₀

f ( t , y _n ( t ))dt

_n( t )dt. (10)

x₀

Так как п – любое целое положительное число, то для любого m > 0

y _n_m ( x )

y ₀

f ( t , y _n_m ( t ))dt

_n_m( t )dt,

x₀

откуда

|y _n_m ( x ) y _n ( x)|

( f ( t , y _n_m ( t ))

f ( t , y _n ( t ))dt

_n_m( t )dt

_n( t )dt

x₀

| f ( t , y _n_m ( t ))

f ( t , y _n ( t ))|dt

_n_m( t )|dt

| _n( t )|dt.

x₀

104

Тогда из (9) и условия Липшица следует, что

|y _n_m ( x )y _n ( x )| N |y _n_m ( t )y _n ( t )|dt( _n_m_n) H.

x₀

Следовательно,

max |y _n_m ( x )y _n ( x)|

x₀xx₀H

N max |y _n_m ( t )y _n ( t )|dt( _n_m_n) H,

x₀

откуда

max | y _n_m ( x )

x₀xx ₀H

y _n ( x)|

⁽n m

_n)H

npu n N₁(

то есть последовательность непрерывных функций у_п(х) равномерно сходится при x ₀ x x ₀ H к непрерывной функции y( x). Итак, утверждение 1)

доказано.

Доказательство 2). Перейдем в (10) к пределу при n

lim y _n ( x )

( x ) y ₀

lim

f ( t , y _n ( t ))dt lim

_n( t )dt. (11) .

В силу равномерной сходимости у_п(х) к y( x) и равномерной непрерывности f(x,y) в D последовательность f(x,y_n(x)) равномерно сходится к f(x, y( x) ). Действительно,

| f ( x , y( x))f ( x , y _n ( x)|npu|y( x)y _n ( x)|( ),

что выполняется при

N ₁ ( ( ))x [ x₀ , x₀ H].

Следовательно, возможен переход к пределу под знаком интеграла. Учитывая, что

| _n ( )| _n ,

где

_n0 npu n

получим из (11):

( x )

y ₀

f ( x ,

( x ))dx,

x_o

то есть y( x) удовлетворяет уравнению (7). Утверждение 2) доказано.

Доказательство 3). Предположим, что существуют два различных решения уравнения (7): у₁(х) и у₂(х), то есть

max

x₀xx₀H

y ₁ ( x )y ₂ ( x)

Тогда, подставляя эти функции в (7) и вычитая полученные равенства друг из друга, получим:

105

y ₁ ( x )y ₂ ( x )( f ( x , y ₁ ( x ))f ( x , y ₂ ( x )))dx,

x₀

откуда

max

y ₁ ( x )

x₀ x x₀

max

( f ( x , y ₁ ( x ))

x₀

x x₀ H

x₀

max

| f ( x , y ₁ ( x ))

x x₀

x₀

y ₂ ( x)

( x , y ₂ ( x )))dx

( x , y ₂ ( x ))|dx .

Применим к этому неравенству условие Липшица:

max |y ₁ ( x ) y ₂ ( x)|

x₀ x x₀

x₀

max

x x₀

|y ₁ ( x ) y ₂ ( x )|dx

x₀

N max |y ₁ ( x )

x₀ x x₀ H

y ₂ ( x )|

max

x₀ x x₀

x₀

NH max |y ₁ ( x )

y ₂ ( x)|.

x₀

x x₀

Если

max

x₀xx₀H

y ₁ ( x )y ₂ ( x)

то полученное равенство:
max \|y ₁ ( x )	^y2	( x)\| NH max \|y ₁ ( x) y ₂ ( x)\|
x₀ x x₀ H		x₀ x x₀ H
противоречиво, так как по условию теоремы H			1	. Следовательно,
			N

max

x₀xx₀H

y ₁ ( x )y ₂ ( x)

0,тоестьy ₂y₁.

Примеры решения задач

Задача 1.

Найти общее решение уравнения

yx.

Указание

Найдите у":

yy dxC₁и т.д.

106

Решение

y dx

xdx

x²

C₁ ;

y dx

x ²

C ₁ dx

x³

y dx

x ³

C ₁ x C ₂ dx

x ⁴

C₁

x ²

C ₂ x C₃

x⁴

C ₁ x ²

C ₂ x C₃ .

x⁴

Ответ: y

C ₁ x ²

C ₂ x

C₃ .

Задача 2.

Решить задачу Коши:

y(0)

x²

Указание

Найдите общее решение уравнения:

yy dxC,

а затем определите С из условия у(0) = 2.

Решение

Общее решение уравнения:

x²

arctgx

2 arctg 0

C 2

^yчастн

arctgx 2.

Ответ: yarctgx2.

Задача 3.

Найдите интегральную кривую уравнения

yyx5,

проходящую через точку (1;-5).

Указание

y²

Запишите левую часть уравнения в виде.

107

Решение

y²

x 5

_x2

5 x C,

x ²

10 x 2C ;

x ²

10 x 2C ;

25, C 7,

_x2

10 x 14.

Ответ: y x ²10 x14.

Задача 4.

Изоклинами уравнения

y1xy

являются:

Указание

Уравнение изоклин имеет вид: 1 + ху = С.

Решение

Уравнение изоклин имеет вид:

1 xy C xy C 1,

C 1

гиперболы.

Ответ: гиперболы.

2.1.2. Методы решения простейших дифференциальных уравнений первого порядка (с разделяющимися переменными, однородных, линейных и сводящихся к ним)

Уравнения с разделяющимися переменными Дифференциальные уравнения вида

f ₂ ( y )dyf ₁ ( x)dx(1)

называются уравнениями с разделяющимися переменными. Тогда любое решение у(х) этого уравнения будет удовлетворять и уравнению

f ₂ ( y )dyf ₁ ( x )dxc,(2)

где с – произвольная постоянная. Если удается найти первообразные функций f₁(x) и f₂(y), выраженные в элементарных функциях, то из (2) можно получить конечное уравнение

( x , y )C,(3)

которое определяет решение у(х) уравнения (1) как неявную функцию х. Уравнение вида (3) называется интегралом уравнения (1), а если оно определяет все решения (1) – общим интегралом этого уравнения.

108

Пример 1.

y ²1 dxxydy.

Приведем уравнение к виду (1):

ydy	dx	, откуда	ydy	dx	C.
	x			x
y ² 1			y² 1

Проинтегрируем обе части равенства:

y ²1ln|x| C.

Полученное уравнение можно считать общим интегралом или решением исходного уравнения.

Если требуется найти частное решение уравнения (1), удовлетворяющее условию у(х₀)=у ₀ , достаточно подставить значения х₀ и у₀ в уравнение (3) и найти значение С, соответствующее начальному условию.

Пример 2.

Найти решение уравнения y′ctg x + y = 2, удовлетворяющее условию у(0) = -1.

Разделим переменные:

sin xdx

cos x

ln|2

ln|cos x| ln|c|,

Подставив в это равенство х = 0 и у = -1, получим, что с = 3. Следовательно, искомое частное решение имеет вид: y = 2 – 3cos x.

Уравнения, приводимые к уравнениям с разделяющимися переменными Если требуется решить уравнение вида

f ( ax by),

(4)

где а и b – постоянные числа, то с помощью замены переменной z = ax+by оно сводится к уравнению с разделяющимися переменными:

dz	a b	dy	,	dz	a bf ( z ),	dz	dx.
dx		dx		dx		a bf ( z )

Пример 3.

4 x 2 y 1.

Замена: z = 4x + 2y – 1, тогда

dx c.

4 2

Вычислим интеграл в левой части равенства: замена

uz , zu ² ,dz2udu

109

приводит к

2 udu

4 2 u

du u

2 ln|4

2 u|

2 ln(4

)

2 ln(4 2

4 x

2 y 1

4 x 2 y 1.

Проинтегрировав теперь правую часть равенства, получим общий интеграл:

4 х2 у12 ln(42 4 x2 y1хс.

3.Однородные уравнения

уравнениям с разделяющимися переменными приводятся и так называемые однородные дифференциальные уравнения первого порядка,

имеющие вид:

dy	f	y	.	(5)
dx
		x

Действительно, замена t

или y = xt приводит к

t , x

f ( t ),

ln|x|

ln c , x ce ^f ⁽ ^t ⁾ ^t .

f ( t ) t

f ( t )

Еще одной формой однородного уравнения является уравнение M( x , y )dx N( x , y )dy 0, (6)

если М(х,у) и N(x,y) – однородные функции одинаковой степени однородности. При этом

M ( x , y )

N ( x , y )

Пример 4.

y² + x²y′ = xyy′. Преобразуем уравнение к виду (5):

y ( xy x ² ) y²

y ²

x ²

После замены y = xt получим:

t ²

, x

( t 1)dt

t 1

c , t

ln|t| ln|x| ln|C|,

Сxt

e ^t ,

Cy e

В однородные можно преобразовать и уравнения вида

110

dy	f	a₁ x	b₁ y	c₁	(7)
dx		a ₂ x	b₂ y	c₂

помощью замены Х = х – х₁ , Y = y – y₁ , где х₁ , у₁ – решение системы уравнений

a₁x + b₁y + c₁ = 0, a₂x + b₂y + c₂ = 0.

(C геометрической точки зрения производится перенос начала координат в

точку пересечения прямых

a₁x + b₁y + c₁

= 0 и a₂x + b₂y + c₂ = 0). Тогда,

поскольку

, в новых переменных уравнение примет вид:

a ₁ X b₁Y

или

1 _X

a ₂ X b₂Y

a ₂

^b2 _X

однородное уравнение.

Пример 5.

(у + 2) dx = (2x + y – 4)dy. Запишем уравнение в виде

2 x

Решением системы у + 2 = 0, 2х + у – 4 = 0 будут х₁ = 3, у₁ = -2. В новых переменных Х = х – 3, Y = y + 2 получим однородное уравнение

2X Y

которое можно решить с помощью обычной замены Y = Xt. Тогда

t ²

t( t

t²

ln|X | ln|C|,

после обратной замены общий интеграл выглядит так:

( y 2)² C( x y 1).

Заметим, в это общее решение входит при С=0 и частное решение у = 1 – х, которое могло быть потеряно при делении на у + х –1.

Линейные уравнения

Линейным дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида

^dyp( x )yf ( x),(8)

линейное относительно неизвестной функции у(х) и ее производной. При этом будем предполагать, что р(х) и f(x) непрерывны.

111

случае, когда f(x) = 0, уравнение (8) называется однородным. Такое уравнение является уравнением с разделяющимися переменными:

p( x )y

0, откуда

p( x )dx,

ln|y|

p( x )dx

ln c,

p ( x ) dx

(9)

При делении на у могло быть потеряно решение у = 0, но оно входит в общее решение при С = 0.

Для решения неоднородного уравнения (8) применим метод вариации постоянной. Предположим, что общее решение уравнения (8) имеет форму (9), в которой С – не постоянная, а неизвестная функция аргумента х:

yC( х)e^p⁽^x⁾^dx.

Тогда

_ep ( x ) dx

C( x )p( x )e ^p ⁽ ^x ⁾ ^dx .

Подставив эти выражения в уравнение (8), получим:

_ep ( x ) dx

C( x ) p( x )e ^p ⁽ ^x ⁾ ^dx

p( x )C( х) e ^p ⁽ ^x ⁾ ^dx

f ( x),

откуда

f ( x )e

p ( x ) dx

, C( x )

f ( x )e

p ( x ) dx

dx c,

_cep ( x ) dx _e p ( x ) dx _f ₍ _x ₎_e p ( x ) dx_dx_.₍₁₀₎

Замечание. При решении конкретных задач удобнее не использовать в готовом виде формулу (10), а проводить все указанные преобразования последовательно.

Пример 6.

Найдем общее решение уравнения у′ = 2 х (х² + y). Представим уравнение в виде:

y′ - 2xy = 2x³ и решим соответствующее однородное уравнение: y′ - 2xy = 0.

2 xy ,

2 xdx ,

2 xdx C₁ ,

ln|y|

x ² ln|C|, y

_Cex² _.

Применим метод вариации постоянных: пусть решение неоднородного уравнения имеет вид:

y C( x )e ^x

, тогда

C e ^x

C( x )e ^x

2 x.

Подставим полученные выражения в уравнение:

_C_ex ²

C( x )e ^x ²

2 x 2 xC( x )e ^x ²

2 x³ .

Следовательно,

112

2 x ³ e ^x² ,

C( x )2x ³ e ^x ² dxx ² e ^x² dx²

te ^t dtte ^te ^t dt

_tet _e t _c_x2 _e x ² _e x² _c_.

При этом общее решение исходного уравнения

_y₍_x2 _e x ² _e x ² _c ₎_e x ² _ce x ² _x2 _1.

линейным уравнениям можно свести с помощью замены некоторые другие дифференциальные уравнения, например, уравнение Бернулли:

p( x )y f ( x) у ^п , п

1. (11)

Разделив на у^п, получим:

у ^п

p( x )y ¹ ^п

f ( x),

а замена

z y

n _,

(1 n)y ⁿ

приводит к линейному уравнению относительно z:

p( x )z

f ( x).

n dx

Пример 7.

y y ⁴ cos x

ytgx ,

ytgx y ⁴ cos x,

tgx

cos x.

y ⁴

y³

Сделаем замену:

_y3

_y4

Относительно z уравнение стало линейным:

ztgx cos x.

Решим однородное уравнение:
	dz	ztgx ,	dz	3 sin xdx	, ln\|z\| 3 ln\|cos x\| ln C₁ ,
	3 dx		z	cos x

C cos ³ x.

Применим метод вариации постоянных:

z C( x )cos ³ x ,	dz	C cos ³ x 3C( x )cos ² x sin x.
	dx

Подставим эти результаты в неоднородное уравнение:

113

C cos ³

x C( x )cos ² x sin x

C( x )cos ³ xtgx

cos x,

, C( x )

3dx

3tgx

cos ² x

cos² x

Окончательно получаем:

y ³( 3tgxc )cos ³ xc cos ³ x3 sin x cos ² x.

Дополним это общее решение частным решением у = 0, потерянным при делении на у⁴.

Примеры решения задач

Задача 1.

Найти общее решение уравнения

ye ⁴ ^xy⁵ .

Указание

Разделите переменные и приведите уравнение к виду

^dy_e4 x_dx_.

_y5

Решение

Разделим переменные:

e ⁴ ^x dx ,

y ⁴

_e4 x

y ⁵

y⁵

_e4 x

y ⁴

Ответ: e ⁴ ^x y ⁴ C.

Задача 2.

Решить задачу Коши:

(2 x

2 y 1)dx

( x

2)dy

y( 1)

Указание

Сделайте замену:

txy.

Решение

Обратим внимание на то, что коэффициенты при х и у в выражениях 2х + 2у – 1 и х + у – 2 пропорциональны. Поэтому можно ввести новую неизвестную функцию, относительно которой исходное уравнение станет уравнением с разделяющимися переменными: t = x + y. Тогда

114

уравнение примет вид:

(2 t

( t2)dt

t3 ln|t

d( t

x )

dx,

1)dx ( t 2)( dt

dx)

( t

2)dt

( t

1)dx,

dx ,

ln|C|,

( t

1) ³

( x

1) ³

_Ce2 x y _.

dx,

Ce^x^t ,

Найдем частное решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям:

y(1)2( 121) ³Ce ²² ,

8Ce ⁰ ,C8,( xy1) ³8e² ^x^y

искомое частное решение.

Ответ: ( xy1)³8 e ²^x^y .

Задача 3.

Найти общее решение уравнения

x ² y²

^y_x ² _x2 ^.

Указание

Сделайте замену

t^y_x .

Решение

Сделаем стандартную замену, применяемую при решении однородных уравнений:

t^y_x , y tx , y t x t.

Тогда уравнение примет вид:

t x

t 2(1

t² ),

_t2

2dx

arctg t 2 ln|x| ln|C|,

t ²

arctg

ln( Cx ² ),

xtg

ln( Cx² ) .

Ответ: yxtg ln(Cx² ) .

115

Задача 4.

Решить задачу Коши:

(12 x5 y9)dx(5 x2 y3)dy0,

y(0)3.

Указание

Сделайте замену:

x x₀ , y y y₀ ,

где (х₀, у₀) – решение системы

12 x5 y90,

5 x2 y30.

Решение

Решим систему

12 x5 y90

₅_x₂_y₃₀^x0^3,^y0 ^9,

перейдем к новым переменным:
- x 3, y y 9.

При этом

dx ,

dy,

и уравнение становится однородным:

(12

125

, t

2 t ²

10t

5 2 t

(5 2 t )dt

d( t ² 5t 6)

t ² 5t 6

t ²

5t 6

ln|t ²

5t 6|

2 ln|

ln|C|,

2 ₍ _t 2

5t 6) C ,

( y

9)²

5( x

3)( y

6( x

3) ²

6 x ²

5 xy y ²

9 x 3 y C.

Найдем частное решение:

116

y(0)3,99C ,C0,

6 x ²5 xyy ²9 x3 y0.

Ответ: 6 x ²5 xyy ²9 x3 y0.

Задача 5.

Найти общее решение уравнения

8 xy 4 e ⁴ ^x² sin 2 x.

Указание

Найдите решение однородного уравнения

y8 xy,

а затем примените метод вариации постоянных.

Решение

Найдем решение однородного уравнения:

y 8 xy ,

8 xdx , ln|y| 4 x ²

ln|C|,

y _одн Ce⁴ ^x² .

Применим метод вариации постоянных:

^yнеодн

_e4 x ² C 4 sin

C( x )e ⁴ ^x ² ,	_y_C_e4 x ²		8Cxe⁴ ^x² ,
₈_Cxe4 x ²	₈_xCe4 x ²	4 e ⁴ ^x² sin 2 x,
2 x , C 4	sin 2 xdx		2 cos 2 x C	;

e ⁴ ^x² (C 2 cos 2 x).

Ответ: ye ⁴ ^x² ( C2 cos 2 x).

Задача 6.

Решить задачу Коши:

_x3 _y 2

0, y(1) 7.

Указание

Сделав замену

z_y¹ ,

вы получите линейное уравнение для z.

Решение

Разделим обе части равенства на у²:

117

x ³

x³ .

_y2

x³

y ²

линейное уравнение. Найдем решение однородного уравнения:

ln|z|

3 ln|x|

ln|C|,

^zодн

Применим метод вариации постоянных:

^zнеодн

C( x)

, z

C x ³

x ³

C x

3C 3C

x ³ ,

_x4

x ⁷

7x ³

Найдем частное решение:

y(1) 7,

Ответ: y_x₄.

3Cx ⁴

C x

x⁴

x ⁷

x ⁶ , C

- x³
7_C^.

C0,y_x₄.

2.2. Дифференциальные уравнения высших порядков. Системы линейных дифференциальных уравнений

Дифференциальные уравнения высших порядков. Задача Коши.

Понятие о краевых задачах для дифференциальных уравнений.

Уравнения, допускающие понижение порядка

Рассмотрим дифференциальное уравнение п-го порядка:

x , y , y , , y⁽ ⁿ⁾0, (1)

где F предполагается непрерывной функцией всех своих аргументов. Тогда по теореме о существовании неявной функции можно разрешить это уравнение относительно старшей производной:

y ⁽ ⁿ ⁾fx , y , y ,y⁽ ⁿ ¹⁾(2)

и сформулируем для него (без доказательства) теорему существования и единственности решения:

Теорема 1. Существует единственное решение уравнения (2), удовлетворяющее условиям

118

y( x₀ )y₀ ,y ( x₀ )y₀ ,..., y ⁽ ⁿ ¹⁾ ( x₀ )y₀⁽ⁿ ¹⁾(3)

если в окрестности начальных значений (х₀ , у₀ , у’₀ ,…, у₀⁽^п ^-¹⁾) функция f является непрерывной функцией всех своих аргументов и удовлетворяет условию Липшица по всем аргументам, начиная со второго.

Замечание 1. Так же, как и для дифференциального уравнения 1-го порядка, задача отыскания решения уравнения (2), удовлетворяющего условиям (3), называется задачей Коши.

Замечание 2. Теорема 1 утверждает существование частного решения уравнения (2), удовлетворяющего данным начальным условиям. С геометрической точки зрения это соответствует существованию

интегральнойкривой,проходящейчерезточку( x₀ , y₀ , y₀ ,..., y₀⁽ⁿ ¹⁾ ).Но,

используя эту теорему, можно доказать и существование общего решения уравнения (2), содержащего п произвольных постоянных и имеющего вид:

y( x , C₁ , C₂ ,..., C_n )(4)

или, в неявной форме:

( x , y , C₁ , C₂ ,..., C_n )0.(5)

Соотношение (5) будем называть общим интегралом уравнения (1) или (2).

Уравнения, допускающие понижение порядка

некоторых случаях порядок дифференциального уравнения может быть понижен, что обычно облегчает его интегрирование. Рассмотрим несколько типов подобных уравнений.

Уравнение не содержит искомой функции и ее производных по порядок (k – 1) включительно:

F( x , y ⁽ ^k ⁾ , y ⁽ ^k ¹⁾ ,..., y⁽ ⁿ⁾ )0.(6) .

этом случае можно сделать замену р = у^(k), которая позволяет понизить порядок уравнения до n – k, так как после замены уравнение примет вид

F( x , p , p ,..., p⁽ ⁿ^k ⁾ )0.

Из этого уравнения можно найти р = р (х, С₁ , С₂ ,…, С_n_-_k), а затем найти у с помощью интегрирования k раз функции р = р (х, С₁ , С₂ ,…, С_n_-_k).

Пример 1.

Уравнение

yy ²

при замене

p( x )y

становится уравнением 1-го порядка относительно р:

119

p p² ,

откуда

dx,

_p2

C ₁ ,

x C₁

Тогда

p( x )dx

ln( x C ₁ ) C₂ ,

y dx ln( x

- ln( x C ₁ )

(ln( xC ₁ )C ₂ )dx

C ₁ )dxC ₂ xC₃

_x_C₁^dx^C 2 ^x^C3

x ln( x C ₁ ) x		C ₁ ln( x C ₁ )	C ₂ x C₃
		( x C ₁ ) ln( x	C₁ ).
C ₃ C	2 ^x

Уравнение не содержит независимой переменной:

F y , y ,, y⁽ ⁿ⁾0.(7)

Порядок такого уравнения можно понизить на единицу заменой у′ = р(у). При этом производные функции f(x) по аргументу х нужно выразить через производные р по у:

p( x ),

d ² y

dp dy

p p u m. .

dx ²

dy dx

Пример 2.

2 yy .

Пусть

p( y ), y p p , тогда pp 2 yp.

Отметим частное решение р = 0, то есть y					0, y		C. Если p 0, после
сокращения на р получим
		dp		2 ydy,
p y ² C ₁	,		dy	dx ,	1	arctg	y
		y ²	C ₁				C₁
					C ₁

- C ₂ , y C ₁tg( C ₁ x C₂ ).

Уравнение F (х, y, y′,…, y⁽ⁿ⁾) = 0 однородно относительно аргументов y, y′,…, y⁽ⁿ⁾, то есть справедливо тождество

F( x , ky , ky , ky ,..., ky ⁽ ⁿ ⁾ ) k ^p F( x , y , y , y ,..., y⁽ ⁿ⁾ ).

120

В этом случае можно понизить порядок уравнения на единицу, вводя новую неизвестную функцию z, для которой y e ^zdx . Тогда

ye ^zdx z ,ye ^zdx ( z ²z )u m..

Линейные дифференциальные уравнения

высших порядков

Линейным дифференциальным уравнением п-го порядка называется уравнение, линейное относительно неизвестной функции и ее производных:

a ( x)y ⁽ ⁿ ⁾	a ( x)y ⁽ ⁿ ¹⁾	... a	( x)y	a ( x)y( x). (8)
0	1	n 1		n

Если( x)0, уравнение называется линейным однородным.

Если а₀(х) не равно нулю ни в одной точке некоторого отрезка [a,b], линейное однородное уравнение удобно записывать в форме

_y( n ) _p ₍ _x ₎_y ( n 1)	... p	( x )y	p ( x )y 0 (9)
1	n 1		n
или
	n
_y( n )	p ( x ) y⁽ ⁿⁱ⁾ .		(9 )
	i

Замечание 1. Если коэффициенты p_i(x) непрерывны на [a,b], то в окрестности любых начальных значений при x₀ [ a , b] удовлетворяются условия теоремы

существования и единственности.

Замечание 2. Линейность и однородность уравнения сохраняются при любом преобразовании x ( t ), где ( t ) - п раз дифференцируемая функция и

( t )0 на [a,b], так как

dy	dy	1	,	d ² y	d ² y	1
dx	dt	( t )		dx ²	dt ² (	( t ))²

то есть производная любого порядка по х функцией производных по t.

dy	( t )	u m. .,

dt (	( t ))³

является линейной однородной

Замечание 3. Линейность и однородность уравнения сохраняются также при линейном однородном преобразовании неизвестной функции y(x) = (x)z(x).

Назовем линейным дифференциальным оператором

L[ y ]y ⁽ ⁿ ⁾p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾...p_n ₁( x )yp_n ( x )y(10)

результат применения к функции у операций, задаваемых левой частью уравнения (9).

При этом уравнение (9) можно записать в виде L[y] = 0.

Свойства линейного дифференциального оператора

Постоянный множитель выносится за знак линейного оператора:

L[cy] = cL[y], так как (су)⁽ⁱ⁾ = cy⁽ⁱ⁾.

L[y₁ + y₂] = L[y₁] + L[y₂].

121

Действительно, (у₁ + у₂)⁽ⁱ⁾ = y₁⁽ⁱ⁾ + y₂⁽ⁱ⁾, откуда следует справедливость сформулированного свойства.

Следствие.

Lc _i y _ic _i L[ y_i ].(11)

i 1i 1

Свойства решений линейного уравнения

Используя свойства линейного оператора, можно указать некоторые свойства решений линейного однородного уравнения (9).

Теорема 1. Если у₁ – решение уравнения (9), то и су₁, где с – произвольная постоянная, – тоже решение этого уравнения.

Доказательство. Если L[y₁] = 0, то по свойству 1) линейного оператора L[сy₁]

0, что и требовалось доказать.

Теорема 2. Сумма у₁ + у₂ решений уравнения (9) тоже является решением этого уравнения.

Доказательство. Так как L[y₁] = 0 и L[y₂] = 0, по свойству 2) линейного оператора L[y₁ + у₂] = L[y₁] + L[y₂] = 0, что доказывает утверждение теоремы.

Следствие теорем 1 и 2. Линейная комбинацияc _i y_i решений уравнения (9)

i 1

у₁, у₂,…,у_т с произвольными постоянными коэффициентами тоже является решением этого уравнения.

Если рассматривается линейное неоднородное уравнение (8), которое при

a₀ ( x) 0 можно записать в виде
_y( n ) _p ₍ _x₎_y ( n 1)	...	p	( x)y	p ( x)y f ( x) (12)
1		n 1		n

или L[y] = f(x), то при непрерывности функций p_i(x) и f(x) оно имеет единственное решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям (3). Из свойств линейного оператора следуют свойства решений неоднородного линейного уравнения:

Сумма y y₁ решения y неоднородного уравнения (12) и решения у₁

соответствующегооднородногоуравнения(9)являетсярешением

неоднородного уравнения (12).

Доказательство.

	L[ y y₁ ] L[ y ] L[ y ₁ ]	f ( x ) 0	f ( x).
				m
2)	Если y_i – решение уравнения L[y]	= f_i(x),	то y	_iy_i является
				i 1

решением уравнения

122

yy dx

C ₁

dx C ₁ x

ctgx C₂ ;

sin²

y dx

C ₁ x

ctgx

C ₂

C₁

x ²

ln|sin x|

C ₂ x

C₃

ln|sin x| C ₁ x ²

C ₂ x

C₃ .

постоянные (принцип суперпозиции или наложения).

Доказательство.

mmmm

L_iy _iL[_iy _i ]_iL[ y _i ]_if _i ( x),

i 1i 1i 1i 1

что и требовалось доказать.

L[ y ]_if _i ( x),

где_i–

Примеры решения задач

Задача 1.

Найти общее решение уравнения

sin ⁴ x

sin 2 x.

Указание

Используйте то, что

y dx u m. .

Решение

sin 2 x

y dx

sin 2x

sin ⁴ x

sin⁴ x

2 sin x cos x

d(sin ² x)

C₁

;

sin ⁴ x

(sin ² x )²

sin²

Ответ: yln|sin x| C₁ x ²C₂ xC₃ .

Задача 2.

Найти общее решение уравнения

(1x ² )yxy2.

Указание

Сделайте замену:

yp( x ),yp ( x).

Решение

123

p( x ), y p ( x); (1 x ² ) p xp 2.

Однородное уравнение:

x ² ) p

xdx

x²

ln|p|

ln|1

x ² |

ln|C

C₁

;

одн

x²

C ₁ ( x)

^pнеодн

, p

C₁(1

x ² )

C₁(1

x ² )

x²

x ² )

;

(1 x² )

C ₁ (1 x ² ) C ₁ x

C ₁ x

x²

2dx

x² )

C ₁

2 arcsin x

C₁ .

x ²

1 x²

2 arcsin x

;

2 arcsin x

x ²

x²

2 arcsin x

x²

arcsin ² x

₁arcsin x

C₂

arcsin ² x

C ₁ arcsin x

C₂ .

Ответ: y arcsin ² x

C arcsin x

C .

Задача 3.

Найти общее решение уравнения

2 xy yy1.

Указание

Сделайте замену:

p( x ), yp ( x).

Решение

124

y p( x ),

p ( x);

xp p

_p2

2pdp

_p2

ln|p ²

1| ln|x|

ln|C₁|,

C ₁ x

C ₁ x 1

( C ₁ x 1)

C₂ ;

3C₁

( C ₁ x 1)

C ₂ dx

15C₁²

( C ₁ x 1)

C ₂ x C₃ .

3C ₁

Ответ: y

(C ₁ x

1) ² C ₂ x

C₃ .

15C₁²

Задача 4.

Решить задачу Коши:

y ²

y(0)

y (0)

Указание

Сделайте замену:

y p( y ),

pp .

Решение

Сделаем замену:

p( y ),

pp .

Тогда

ypp

p ²

ln| p|

ln| y|

ln|C|,

Cy ,

p(0)

y(0)

C 1

C 2,

p 2 y , y 2 y ,

2 dx,

ln| y|

2 x ln|C|,

Ce ² ^x ,

y(0)

1 Ce ⁰ , C 1, y e² ^x .

Ответ: y e²^x .

2.2.2 Линейная зависимость и независимость системы функций. Определитель Вронского, его свойства. Фундаментальная система решений однородного линейного дифференциального уравнения. Общее решение однородного уравнения

125

Функции у₁(х), у₂(х),…, у_п(х) называются линейно зависимыми на некотором отрезке [a,b], если существуют такие числа ₁, ₂,…, _п, хотя бы одно из которых не равно нулю, что

₁y₁₂y ₂_ny_n0(1)

на рассматриваемом отрезке. Если же равенство (1) справедливо только при всех _i=0, функции у₁(х), у₂(х),…, у_п(х) называются линейно независимыми на отрезке [a,b].

Примеры.

Функции 1, x, x², …, xⁿ линейно независимы на любом отрезке, так как равенство

₁₂x₃x ²_n₁xⁿ0

справедливо только при всех α_i = 0. Иначе в левой части равенства стоял бы многочлен степени не выше п, который может обращаться в нуль не более, чем в п точках рассматриваемого отрезка.

Линейно независимой на любом отрезке является система функций

_e^k1 ^x _, _e ^k 2 ^x _,_..._, _e^k n ^x _.

Если предположить, что эта система линейно зависима, то существуют такие

числа ₁, ₂,…, _п (пусть для определенности _п		0 ), что
₁e ^k1 ^x	₂e ^k² ^x ... _ne^kⁿ ^x

Разделим полученное равенство на e^k 1 ^x и продифференцируем:

₂( k₂k₁ )e⁽ ^k² ^k¹ ⁾ ^x..._n( k_nk₁ )e⁽ ^kⁿ ^k¹ ⁾^x0.

Проделав эту операцию п-1 раз, придем к равенству

n	( k	k )( k	3	k )...( k		k	₎_e⁽ ^kn ^kn 1 ⁾^x	0,
	2	1		2	n	n 1

что невозможно, так как по предположению

_n0,k _ik _j ,e⁽ ^k ⁿ ^k ⁿ ¹ ⁾^x0.

Подобным образом можно доказать линейную независимость системы функций

_e^k 1 ^x _, _xe ^k 1 ^x _,_..._, _x ⁿ1 _e^k 1 ^x _,

_e^k 2 ^x _, _xe ^k 2 ^x _,_..._, _x ⁿ2 _e^k 2 ^x _,

.............................

_e^k p ^x _, _xe ^k p ^x _,_.._._, _x ⁿ p _e^k p ^x _.

Определитель Вронского

Определитель вида

126

W ( x )W [ y ₁ , y ₂ ,..., y_n ]

^y1	^y2	...	^yn
y ₁	y ₂	...	y_n
y ₁	y ₂	...	y_n
...	...	...	...
_y₁(n 1)	_y(₂n 1)	...	_y_n(n 1)

(2)

называется определителем Вронского системы функций у₁, у₂,…, у_п.

Теорема 1. Если функции у₁, у₂,…, у_п линейно зависимы на отрезке [a,b], то их определитель Вронского на этом отрезке тождественно равен нулю. Доказательство.

Дифференцируя п-1 раз тождество₁у₁ +₂у₂ + … +_пу_п = 0 , где не все_i

0, получим линейную однородную систему относительно ₁, ₂,…, _п:

1 ^y 1	2 ^y 2	...	n ^yn	0,
1 ^y 1	2 ^y 2	...	n ^yn	0,
.............................................
₁y ₁⁽ⁿ ¹⁾	₂y ⁽₂ⁿ ¹⁾	...	_ny_n⁽ⁿ ¹⁾ 0,

которая по условию должна иметь нетривиальное решение при любом х из отрезка [a,b], а это возможно только в том случае, если главный определитель этой системы (см. правило Крамера) равен нулю. Поскольку этот главный определитель является определителем Вронского для выбранной системы функций, теорема доказана.

Теорема 2. Если линейно независимые функции у₁, у₂,…, у_п являются решениями линейного однородного уравнения

y ⁽ ⁿ ⁾p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾...p_n ₁( x )yp_n ( x )y0

непрерывными на отрезке [a,b] коэффициентами, то определитель Вронского для этих функций не может обратиться в нуль ни в одной точке отрезка [a,b].

Доказательство.

Пусть x₀ [ a , b ] : W ( x₀ ) 0.Выберем числа ₁ , ₂ ,..., _n , не все равные

нулю, так, чтобы удовлетворялась система уравнений

₁y ₁ ( x₀ )

₂y ₂ ( x₀ ) ...

_ny _n ( x₀ )

₁y ₁ ( x₀ )

₂y ₂ ( x₀ ) ...

_ny _n ( x₀ ) 0,

(3)

..............................................................

_y( n 1)

( x )

_y( n 1)

( x ) ...

_y( n 1)

( x ) 0.

(Определитель этой системы, неизвестными в которой считаем_i, равен

W(x₀) и, следовательно, равен нулю, поэтому система имеет ненулевое решение). Тогда по условию теоремы

127

y₁y ₁ ( x )₂y ₂ ( x )..._ny _n ( x)

решение уравнения

y ⁽ ⁿ ⁾p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾...p_n ₁( x )yp_n ( x )y0

с нулевыми начальными условиями

y( x₀ )y ( x₀ )...y ⁽ ⁿ ¹⁾( x₀ )0,

что следует из системы (3). Очевидно, что этим условиям удовлетворяет нулевое решение:

₁y₁ ( x )₂y ₂ ( x )..._ny _n ( x)0,

по теореме существования и единственности это решение единственно. Но при этом из равенства (4) следует, что функции у₁, у₂,…, у_п линейно

зависимы, что противоречит условиям теоремы. Следовательно, W ( x) 0 ни в одной точке отрезка [a,b].

Замечание. В теореме 2 важно, что функции у₁, у₂,…, у_п – решения уравнения

y ⁽ ⁿ ⁾p₁ ( x)y ⁽ ⁿ ¹⁾...p_n ₁( x)yp_n ( x)y0.

Для произвольной системы функций утверждение теоремы не справедливо.

Теорема 3. Общим решением на [a,b] уравнения

y ⁽ ⁿ ⁾p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾...p_n ₁( x )yp_n ( x )y0

с непрерывными коэффициентами p_i является линейная комбинация

yc _i y_i(5)

- 1
линейно независимых на [a,b] частных решений y_i с произвольными постоянными коэффициентами.

Доказательство.

Для доказательства теоремы с учетом теоремы существования и единственности достаточно показать, что можно подобрать постоянные c_i так, чтобы удовлетворялись произвольно заданные начальные условия:

y( x₀ )y₀ ,y ( x₀ )y₀ ,..., y ⁽ ⁿ ¹⁾ ( x₀ )y₀⁽ⁿ ¹⁾ ,(6)

где х₀ – произвольная точка отрезка [a,b].

Подставив в равенства (6) выражение для у вида (5), получим линейную систему из п уравнений относительно неизвестных с₁, с₂,…, с_п:

c _i y _i ( x₀ )y₀ ,

i 1

c _i y _i ( x₀ )

y₀ ,

........................

_y( n 1)

( x ) y⁽ ⁿ ¹⁾

128

определителем которой является определитель Вронского для выбранных п линейно независимых решений рассматриваемого уравнения, который по теореме 2 не равен нулю. Следовательно, по правилу Крамера система имеет решение при любых правых частях. Теорема доказана.

Следствие. Максимальное число линейно независимых решений однородного уравнения

y ⁽ ⁿ ⁾ p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾ ... p_n ₁( x )y p_n ( x )y 0 равно его порядку.

Любые п линейно независимых решений однородного линейного уравнения y ⁽ ⁿ ⁾ p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾ ... p_n ₁( x )y p_n ( x )y 0

называются его фундаментальной системой решений.

Таким образом, общее решение уравнения

y ⁽ ⁿ ⁾p₁ ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾...p_n ₁( x )yp_n ( x )y0

является линейной комбинацией любой его фундаментальной системы решений.

Примеры решения задач

Задача 1.

Найти значения a, b и с, при которых функции ах³ + х + b и сx² – x – 1 линейно зависимы.

Указание

Условие линейной зависимости функций – существование чисел ₁ и ₂, из которых хотя бы одно не равно нулю, для которых верно равенство

	₁( ax ³	x b )		₂( cx ²		x 1)	0.
		Решение
Пусть
	₁( ax ³	x b )		₂( cx ²		x 1)	0,
тогда
1	ax ³	cx ² (	1	2	)x ( b		2	) 0.
	2					1

Отсюда

₁a0

²^c₂ ⁰ ₀ .

₁b₂0

Эта система имеет ненулевое решение для₁и₂, если а = с = 0, b = 1.

При этом₁и₂– любые числа, удовлетворяющие условию₁=₂.

129

Ответ: а = с = 0, b = 1.

Задача 2.

Вычислить определитель Вронского для функций x + lnx и xlnx при х = 1.

Указание

Определитель Вронского для двух функций имеет вид

^f1 ^f2 f ₁ f₂

Прих=1

Ответ: 1.

Решение

f ₁

f₂

ln x

x ln x

f ₁

f₂

ln x 1

Задача 3.

Найти фундаментальную систему решений уравнения

yy0.

Указание

Найдите общее решение уравнения и определите линейно независимые функции, линейной комбинацией которых оно является.

Решение

Пусть

p( x ),

yp .

p p 0,

dx ,

ln|p| x ln|C₁|,

C ₁ e ^x , yC ₁ e ^x C ₂ , y C ₁ e ^x C ₂ x C₃ .

Следовательно, любое решение уравнения является линейной комбинацией линейно независимых функций 1, х и е^-^х, которые соответственно образуют фундаментальную систему решений.

Ответ: 1, x , e ^x .

2.2.3. Однородные линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами.

130

Построение фундаментальной системы решений. Неоднородные линейные дифференциальные уравнения. Частное и общее решения

Определим вид частных решений однородного линейного уравнения

a₀ y ⁽ ⁿ ⁾a₁ y ⁽ ⁿ ¹⁾...a_n y0,(1)

котором коэффициенты a_i постоянны. Можно показать, что они имеют вид y e^kx , где k – постоянная. Действительно, при этом

_y( p ) _k p _ekx _,

и после подстановки в уравнение (1) получаем:

a₀ k ⁿ e ^kxa₁ k ⁿ ¹e ^kx...a_n e^kx0,

или, после сокращения на e^kx,

a k ⁿ	_a_kn 1	... a	k a 0	(2)
0	1	n 1	n

так называемое характеристическое уравнение для уравнения (1). Числа k, являющиеся его решениями, при подстановке в функцию y e^kx дают

частные решения уравнения (1). Исследуем различные возможности количества и вида решений характеристического уравнения.

Все корни уравнения (2) действительны и различны: k₁, k₂,…, k_n . Тогда они задают максимально возможное количество линейно независимых решений уравнения (1) (их линейная независимость показана в примере 2 предыдущей лекции), то есть определяют фундаментальную систему решений. Следовательно, в этом случае общее решение уравнения (1) может быть записано в виде:

yc₁ e ^k1^xc ₂ e ^k2 ^x...c_n e^kn ^x .

Пример 1.

Общее решение уравнения

y ⁽⁵⁾5 y4 y0

можно найти, решив характеристическое уравнение

k ⁵5 k ³4 k0.

Разложим левую часть на множители:

k( k ²4)( k²1)0.

Следовательно, корни характеристического уравнения:

k₁0,k₂2,k ₃2,k ₄1,k₅1.

Поэтому общее решение исходного уравнения имеет вид:

yc₁c₂ e ² ^xc ₃ e ² ^xc ₄ e ^xc ₅ e^x .

131

Корни уравнения (2) различны, среди них есть комплексные. При этом, как было показано ранее, они образуют пары комплексно сопряженных чисел. При этом решения уравнения (1), соответствующие паре комплексно сопряженных решений уравнения (2)

k₁	i	u k₂	i,
имеют вид
_e(	i ) x	u e⁽	i ) x

могут быть заменены двумя действительными решениями: действительной
мнимой частями указанных решений. Следовательно, так как

e⁽ⁱ⁾^xe ^x (cosxi sinx),

решениями уравнения (1) будут

e ^x cosxue ^x sinx.

Пример 2.

y	6 y	10	0, k ²	6 k	10 0,
^k1,2 ³	i ,	y ₁	e ³ ^x cos x ,	y ₂	e ³ ^x sin x,
	y	e ³ ^x ( c ₁ cos x c ₂ sin x).

Характеристическое уравнение имеет кратные корни. В этом случае число линейно независимых решений предыдущих типов меньше п, и для получения фундаментальной системы нужно найти дополнительные решения иного вида. Докажем, что при наличии у характеристического уравнения

корня k_i кратности_iтакими решениями будут

_xe^ki ^x _, _x ² _e ^ki ^x _,_..._, _x i ¹_e^ki ^x _.

Предположим вначале, что выбранный кратный корень k_i = 0. Тогда характеристическое уравнение имеет вид:

a ₀ k ⁿ	a ₁ k ⁿ ¹	...	a _n	_ik ⁱ	0,
а соответствующее дифференциальное уравнение:
a ₀ y ⁽ ⁿ ⁾	a ₁ y ⁽ ⁿ ¹⁾	...	^an	_iy⁽ i ⁾

Очевидно, что частными решениями такого уравнения будут функции 1, x , x ² , , x i ¹ ,

все производные которых порядка_iи выше равны нулю. Кстати, линейная

независимость такой системы функций показана в примере 1 предыдущей лекции.

Пусть теперь корень характеристического уравнения k_i кратности_iне равен

нулю.Сделаемзаменупеременной:ye ^ki ^x z,тогдаприподстановкев

дифференциальное уравнение его линейность и однородность не нарушается, а коэффициенты изменяются, но по-прежнему остаются постоянными:

132

b₀ z⁽ ⁿ ⁾b₁ z⁽ ⁿ ¹⁾...b_n z0.

При этом корни характеристического уравнения

b₀ p ⁿb₁ p ⁿ ¹...b_n p0(3)

отличаются от корней уравнения

a₀ k ⁿa₁ k ⁿ ¹...a_n ₁ka_n0

на слагаемое –k_i, так как при

_z_e^px _y_e ^ki ^x _z_e⁽ ^ki ^p ⁾ ^x _,

то есть k = k_i + p. Следовательно, уравнение (3) имеет корень р = 0 кратности _i, которому соответствуют линейно независимые частные решения

z1, zx , ..., zx i ¹.

При обратной замене получаем набор линейно независимых решений исходного уравнения:

ye ^ki ^x ,yxe ^ki ^x ,..., yx i ¹e^ki ^x .(4)

Таким образом, каждый кратный корень уравнения (2) задает серию линейно независимых частных решений уравнения (1), количество которых равно его кратности. Следовательно, вновь построена фундаментальная система решений.

Замечание. Кратные комплексно сопряженные корни задают частные решения вида

x ⁱ e ^x cosx ,x ⁱ e ^x sinx.

Пример 3.

Характеристическое уравнение для уравнения

3 y 3 y y 0

имеет вид (k + 1)³ =0, то есть k = -1 – корень кратности 3. Следовательно, фундаментальная система решений состоит из функций

e ^x , xe ^x , x ² e ^x ,

а общее решение можно записать в виде

y( c₁c ₂ xc ₃ x ² )e ^x .

Пример 4.

Для уравнения

y ⁽⁴⁾8 y16 y0

характеристическим уравнением является

k ⁴8 k²160,

то есть (k²+4)²= 0. Следовательно,

133

корни кратности 2. Тогда общим решением исходного дифференциального уравнения является

( c ₁ c ₂ x )cos 2 x ( c ₃ c ₄ x )sin 2 x.

Линейные неоднородные уравнения

Ранее было показано, что сумма решений линейного неоднородного уравнения L[y] = f(x) и соответствующего однородного уравнения L[y] = 0 является решением неоднородного уравнения. Используя это свойство, можно доказать следующую теорему:

Теорема 1. Общее решение на отрезке [a,b] уравнения L[y] = f(x) с непрерывными на [a,b] коэффициентами p_i(x) и правой частью f(x) равно

сумме общего решенияc _i y_iсоответствующего однородного уравнения и

какого-либо частного решения неоднородного уравнения.

Доказательство.

Требуется доказать, что для любых начальных условий

y⁽ ^k ⁾ ( x )	y⁽ ^k ⁾ , k 0, 1,..., n 1,
0	0

можно подобрать такие значения постоянных c_i, чтобы функция

yc _i y _iy,(5)

где y_i – линейно независимые частные решения однородного уравнения L[y]

0, а y - частное решение рассматриваемого неоднородного уравнения, была

решением этого неоднородного уравнения с заданными начальными условиями. Это требование приводит нас к системе уравнений относительно неизвестных с₁, с₂,…, с_п:

c _i y _i ( x ₀ )

c _i y _i ( x₀ )

y( x ₀ )y₀ ,

y ( x ₀ )y₀ ,

c _i y _i ( x₀ ) y ( x₀ ) y₀ ,

, (6)

.........................................

_y( n 1)

( x ) y ⁽ ⁿ ¹⁾

( x ) y⁽ ⁿ ¹⁾

главнымопределителемкоторойявляетсяопределительВронского

W [ y ₁ , y ₂ ,..., y_n ], как известно, не равный нулю. Поэтому система (6) имеет

единственное решение, что и доказывает утверждение теоремы.

134

Замечание. Таким образом, при найденном общем решении однородного уравнения решение неоднородного уравнения сводится к подбору его частного решения.

Методы нахождения частного решения неоднородного линейного дифференциального уравнения

Метод вариации произвольных постоянных

Распространим метод вариации произвольных постоянных, рассмотренный ранее для решения линейного уравнения первого порядка, на линейные уравнения высших порядков. Будем искать решение неоднородного уравнения в виде

c _i ( x ) y_i .
- 1

При этом требуется найти п неизвестных функций с₁(х), с₂(х),…, с_п(х), которые удовлетворяли бы только одному уравнению

_y( n ) _p ₍ _x ₎_y ( n 1)	... p ( x )y f ( x). (7)
1	n

Поэтому можно дополнительно потребовать, чтобы искомые функции удовлетворяли еще каким-нибудь п-1 уравнениям, выбранным так, чтобы производные функции

c _i ( x ) y_i
- 1

имели по возможности такой же вид, как при постоянных c_i. Первая производная решения имеет вид:

c _i ( x )y _i ( x )

c _i ( x )y _i ( x).

Потребуем, чтобы вторая сумма в этом выражении равнялась нулю:

c _i ( x ) y _i ( x)0,

тогда

c _i ( x ) y _i ( x).
- 1

Зададим такое же условие для второй производной:

yc _i ( x ) y _i ( x )c _i ( x ) y _i ( x),

i1i1

c _i ( x ) y _i ( x )0,yc _i ( x ) y _i ( x).

i1i1

Продолжая вычислять производные функции

c _i ( x ) y_i
- 1

135

до порядка п – 1 включительно и требуя каждый раз, чтобы

c _i ( x ) y _i ⁽ ^k ⁾

( x)0,

получим:

c _i ( x ) y_i

c _i ( x ) y_i

c _i ( x ) y_i

i 1

(8)

......................

_y( n 1)

c _i ( x ) y⁽_i ⁿ ¹⁾

n		n
_y( n )	c _i ( x ) y ⁽_i ⁿ ⁾	c _i ( x ) y⁽_i ⁿ ¹⁾
i 1		i 1

(в последнем равенстве уже нельзя потребовать, чтобы вторая сумма равнялась нулю, так как на искомые функции уже наложено п – 1 условие, а последним требованием является то, что эти функции должны удовлетворять уравнению (7)). Подставив

c _i ( x ) y_i
- 1

с учетом (8) в (7), получим:

( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾

₍_y( n )

p ( x )y ⁽ ⁿ ¹⁾

... p ( x )y

) f ( x),

i 1

но y_i – частные решения однородного уравнения, следовательно, все слагаемые второй суммы равны нулю и уравнение сводится к следующему:

c _i y ⁽_i ⁿ ¹⁾f ( x).(9)

Добавив его к первым п – 1 уравнениям системы (8), получим систему из п уравнений для определения с₁’, с₂’,…, с_п’, определитель которой является определителем Вронского для функций у₁, у₂,…, у_п и, следовательно, не равен нулю. Следовательно, из этой системы можно единственным образом найти производные искомых функций, а затем с помощью интегрирования и сами функции с₁, с₂,…, с_п.

Пример 5.

y 2 y y	e^x	.
	x

Найдем решение однородного уравнения, для чего составим характеристическое уравнение k² - 2k + 1 = 0, k₁ = k₂ =1. Следовательно,

136

общее решение однородного уравнения имеет вид у = (с₁ + c₂ x)е^х, то есть фундаментальную систему решений составляют функции у₁ = е^х и у₂ = хе^х. Будем искать общее решение неоднородного уравнения в виде у = с₁(х)е^х + с₂(х)хе^х. Составим систему (8):

с₁ e ^x

c ₂ xe^x

c ₁ e

c ₂

x )e

_e^x ,

откуда

c ₁

c ₂ x

1 ,

c ₂

, c ₂ ln|x| C₂ ,

c ₁ c ₂

^c1

1, c ₁

C₁ ,

где С₁ и С₂ – произвольные постоянные. Таким образом, найдено общее решение исходного уравнения: у = е^х(хln|x| - x + C₁x + C₂).

Подбор частного решения для неоднородного уравнения

с постоянными коэффициентами

Для некоторых видов правой части линейного неоднородного дифференциального уравнения

a₀ y ⁽ ⁿ ⁾a₁ y ⁽ ⁿ ¹⁾...a_n ₁ya_n yf ( x)(10)

можно подобрать частное решение в виде функции с неопределенными коэффициентами, которые определяются путем подстановки этой функции в уравнение (10).

1. f ( x) A x ^s	A x ^s ¹	A ( a 0).
0	1	sn

При этом существует частное решение уравнения (10), имеющее такой же вид:

y B x ^s	B x ^s ¹	B .
0	1	s

Действительно, подставив эту функцию в уравнение (10) и приравняв коэффициенты при одинаковых степенях х, получим разрешимую единственным образом систему линейных уравнений:

a _n B₀A₀

^an ^B1 ^sa n 1 ^B0 ^A1

a _n B₂( s1)a _n ₁ B₁s( s1)a _n ₂ B₀A₂ . .

..........................................................

a _n B_s...A_s

Пример 6.

137

3 y 2 y 3 x 5.

Будем искать частное решение в виде у = Ах + В, тогда

yA,y0,

после подстановки в уравнение получим: 3А + 2Ах + 2В = 3х – 5. Тогда 2А = 3, 3А + 2В = = -5. Следовательно,

A₂³, B¹⁹₄,

и общее решение уравнения можно записать в виде:

y c ₁ e ^x	c ₂ e ² ^x		3	x	19	.
		2			4
2. Если
	... a _n	₁0,					0
^an ^a n 1					a_n

(то есть k = 0 является – кратным корнем характеристического уравнения), то частное решение имеет вид:

yx ( B₀ x ^sB₁ x ^s ¹...B_s ).

Легко убедиться, что функция подобного вида является решением уравнения (10) при поставленных условиях.

Пример 7.

y3 y2 x²5.

Пусть

у_частнх²(Ах²ВхС)Ах⁴Вх³Сх² ,

у4Ах³3Вх²2Сх,у12Ах²6Вх2С,

24Ах 6В.

Подставляя в уравнение, получим:

24Ах6В36Ах²18Вх6С2х²5,

откуда –36А = 2, 24А – 18В = 0, 6В – 6С = 5. Решая эту систему, получаем

₁₈¹, B ₂₇² , C ₅₄⁴⁹.

Следовательно, общее решение уравнения имеет вид:

y c ₁	c ₂ x c ₃ e ³ ^x	1	x ⁴	2	x ³	49	x² .
				27		54
	18

f ( x) e ^px( A₀ x ^s A₁ x ^s ¹ ... A_s ).

Если число р при этом не является корнем характеристического уравнения, можно задать частное решение в виде:

ye ^px ( B₀ x ^sB₁ x ^s ¹...B_s ).

138

Если же р – корень характеристического уравнения кратности , частное решение имеет вид:

yx e ^px ( B₀ x ^sB₁ x ^s ¹...B_s ).

обоих случаях с помощью подстановки в исходное уравнение можно убедиться, что выбранные функции являются его решениями.

Пример 8.

yy2 yxe ^x .

Найдя корни характеристического уравнения k² + k – 2 = 0: k₁ = 1, k₂ = -2, видим, что р = -1 не является корнем этого уравнения. Поэтому будем искать частное решение в форме y = e^-^x(Ax + B). При этом

ye ^x (AxBA),ye ^x ( Ax2 AB). .

Подставляя в уравнение, получаем:

e ^x ( 2 AxA2B)xe ^x ,

откуда –2А = 1, -А – 2В = 0, то есть

₂¹, B ₄¹.

Итак, общее решение уравнения:

yc ₁ e ^xc ₂ e ² ^x^e₄^x (1 2 x).

Пример 9.

2 y y 2 e ^x .

Здесь р = 1 – корень характеристического уравнения кратности 2, поэтому частное решение имеет вид

yAx ² e ^x ,yAe ^x ( x ²2 x),

Ae ^x ( x ² 4 x 2).

Подстановка в уравнение дает 2Ае^х = 2е^х, откуда А =1, а общее решение:

- = (с₁ + с₂х + х²)е^х.
В аналогичной форме задаются частные решения в случае, когда правая

часть уравнения (7) имеет вид

f ( x)e ^px ( P( x)cos qxQ( x )sin qx),

где Р и Q – некоторые многочлены:

а) если p + qi - не корни характеристического уравнения, то можно подобрать частное решение в виде

ye ^px ( P_m ( x )cos qxQ_m ( x)sin qx),

139

где P_m ( x) и Q_m ( x) многочлены с неопределенными коэффициентами, степень т которых есть старшая из степеней многочленов Р и Q.

б) если p + qi - корни характеристического уравнения кратности, то

yx e ^px ( P_m ( x )cos qxQ_m ( x )sin qx).

Пример 10.

y ⁽⁴⁾2 yуx cos x. .

При этом + i - корни характеристического уравнения кратности 2, поэтому следует искать частное решение в виде:

yx ² (( AxB)cos x(CxD)sin x).

Если правая часть уравнения (7) представляет собой сумму функций, рассмотренных в предыдущих пунктах, то по принципу суперпозиции частное решение будет задаваться как сумма решений, соответствующих каждому из слагаемых правой части.

Пример 11.

Для уравнения

y4 yy4x ³ e ^xsin x

частное решение ищем в виде:

y( Ax ³Bx ²CxD)e ^xx(E cos xF sin x).

Примеры решения задач

Задача 1.

Найти общее решение уравнения

5 y 6 y 0.

Указание

Составьте и решите характеристическое уравнение.

Решение

Характеристическое уравнение:

k ²5k60k₁1,k₂6.

Корни характеристического уравнения действительны и различны, поэтому общее решение дифференциального уравнения имеет вид:

yC₁ e ^xC₂ e⁶^x .

Ответ: yC₁ e ^xC₂ e⁶^x .

Задача 2.

140

Найти общее решение уравнения

y ⁽⁵⁾y0.

Указание

Составьте и решите характеристическое уравнение.

Решение

Характеристическое уравнение:

k ⁵k ³0,k ³ ( k ²1)0k ₁k ₂k₃0,

k ₄_,5i.

Таким образом, характеристическое уравнение имеет один действительный корень кратности 3 и пару комплексно сопряженных корней с нулевой действительной частью. Следовательно, общее решение дифференциального уравнения имеет вид:

yC₁C₂ xC₃ x ²C ₄ cos xC₅ sin x.

Ответ: yC₁C₂ xC₃ x ²C ₄ cos xC₅ sin x.

Задача 3.

Найти общее решение уравнения

4 y 4 y 4 x 1.

Указание

Поскольку k = 0 не является корнем характеристического уравнения, частное решение имеет вид:

^yчастн ^Ax^B^.

Решение

Найдем общее решение однородного уравнения:

k ²4 k40k ₁k₂2;

y _одн(C ₁C ₂ x )e ^x .

Поскольку k = 0 не является корнем характеристического уравнения, частное решение имеет вид:

y _частнAxB,yA,y0.

Подставив эти выражения в неоднородное уравнение, получим:

4 A4 Ax4 B4 x1,4 Ax(4 A4 B)4 x1,

4 A

1, B

4A 4B

^yчастн ^x ₄ ^.

Общее решение уравнения представляет собой сумму общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения:

141

( C ₁ C ₂ x )e ² ^x x ⁵₄ .

Ответ: y ( C ₁ C ₂ x )e ² ^x x ⁵₄ .

Задача 4.

Найти общее решение уравнения

4 y 5 y 3 cos 2 x.

Указание

Поскольку k = +2i не является корнем характеристического уравнения, частное решение имеет вид:

y _частнA cos 2 xB sin 2 x.

Решение

Найдем общее решение однородного уравнения:

k ²4 k50k _1,22i,

y _однe ² ^x ( C ₁ cos xC ₂ sin x).

y _частнA cos 2 xB sin 2 x,

y2 A sin 2 x2 B cos 2 x,

y4 A cos 2 x4 B sin 2 x.

Подставим эти выражения в неоднородное уравнение:

4 A cos 2 x

4 B sin 2 x

8 A sin 2 x

8 B cos 2x

5 A cos 2 x

5 B sin 2 x

3 cos 2 x,

( A 8 B)cos 2 x ( B

8 A)sin 2 x

3 cos 2 x,

8 B

8 A

^yчастн

cos 2 x

sin 2 x,

y e ² ^x ( C ₁ cos x

C ₂

sin x )

cos 2 x

sin 2 x.

Ответ: y e ² ^x ( C ₁ cos x C ₂ sin x )

cos 2 x

sin 2 x.

Задача 5.

Найти общее решение уравнения

2 y

3e ^x .

Указание

142

Поскольку k = 1 – корень характеристического уравнения, частное решение имеет вид:

y _частнAxe^x .

Решение

k ²k20k ₁2,k₂1.

y _однC ₁ e ² ^xC ₂ e^x ;

у_частнAxe ^x ,y( AAx )e ^x ,y(2 AAx )e ^x ;

(2 AAx )e ^x( AAx )e ^x2 Axe ^x3 e ^x ,

3 Ae ^x3 e ^x ,A1,у_частнxe^x ,

C ₁ e ² ^x C ₂ e ^x xe^x .

Ответ: y C₁ e ²^x C₂ e ^x xe^x .

Задача 6.

Найти общее решение уравнения

e^x

^y^y_ex ₁ ^.

Указание

Найдите решение однородного уравнения и примените метод вариации постоянных.

Решение

Найдем решение однородного уравнения:

k ²k0,k ₁0,k₂1,

y _однC₁ e ^xC₂ .

Будем искать решение неоднородного уравнения в виде:

y _неоднC₁ ( x )e ^xC₂ ( x).

Составим и решим систему уравнений для определения С₁ и С₂:

143

C ₁ e ^x

^C2

C ₁

, C₁

C ₁ e^x

e ^x 1

e^x

t e

e ^x ( e ^x

t( t 1)

t 1

ln t

ln( t

₁ln e ^x

ln( e ^x

ln( e ^x 1) C₁ ;

C ₂C ₁ e ^x

_ex

C ₂

_ex

e ^x

e^x

ln( e ^x

2 ^.

Следовательно, общее решение уравнения имеет вид:

y	( x	ln( e ^x 1) C ₁ )e ^x ln( e ^x			1) C₂
	e ^x ( x C ₁ )		( e ^x	1) ln( e ^x	1) C₂.
Ответ: y e ^x ( x C )	( e ^x	1)ln( e ^x	1)	C .
1				2

2.2.5. Устойчивость решений дифференциальных уравнений и их систем. Определение устойчивости по Ляпунову и

асимптотической устойчивости. Автономные системы дифференциальных уравнений. Фазовое пространство (плоскость), фазовая траектория. Точки покоя. Классификация точек покоя системы двух однородных линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Условия устойчивости точки покоя

Поскольку при решении реальных задач с помощью дифференциальных уравнений начальные условия обычно являются результатами измерений и, следовательно, получены с некоторой погрешностью, очень важным является вопрос о том, как изменится решение уравнения при малом изменении начальных условий. В частности, если такие изменения существенно меняют решение, то подобное решение, очевидно, не имеет практической ценности.

Пусть некоторое явление описывается системой дифференциальных уравнений

dy_i	_i( t , y ₁	, y ₂	,..., y _n ), i	1, 2,..., n (1)
dt

с начальными условиями y_i(t₀) = y_i0 .

Решение_i(t) (i = 1,2,…,n) называется устойчивым по Ляпунову, если

0 такое, что для всякого решения y_i(t) той же системы, начальные условия которого удовлетворяют неравенствам

144

|y _i ( t ₀ )_i( t ₀ )|( ),

для всех t>t₀ справедливы неравенства

|y _i ( t ) _i ( t )|

(2)

(то есть близкие по значениям решения остаются близкими для всех t>t₀). Если хотя бы для одного решения y_i(t) неравенства (2) не выполняются,

решение_i(t) называется неустойчивым.

Если решение_i(t)не только устойчиво по Ляпунову, но и удовлетворяет

условию
lim\|y _i ( t )	_i( t )\| 0	(3)
t
при
\|y _i ( t ₀ ) _i ( t ₀ )\| ₁ ,		₁0,

то это решение называется асимптотически устойчивым.

Замечание. Одно условие (3) не обеспечивает устойчивость решения.

Фазовая плоскость

Дифференциальное уравнение второго порядка

d ² y	f ( t , y,	dy	) (4)
dt ²		dt

равносильно системе уравнений первого порядка

y ,

f ( t , y , y). (5)

Геометрически общее решение уравнения (4) или системы (5) можно представить семейством фазовых траекторий на фазовой плоскости Oyy.

Особенно удобно такое представление в случае, когда функцияf ( t , y , y) не

содержит явным образом независимого переменного t. Тогда система (5) имеет вид

P( y , y ),

Q( y , y) (6)

называется автономной системой. Фазовые траектории в этом случае удовлетворяют дифференциальному уравнению первого порядка

dy	Q( y , y)	,	(7)
dy	P( y , y)

которое каждой точке ставит в соответствие наклон проходящей через нее интегральной кривой.

Точки покоя

Точка ( y , y) фазовой плоскости системы (6) называется обыкновенной точкой, если P( y , y ) u Q( y , y) дифференцируемы и не обращаются

145

одновременно в нуль; через каждую обыкновенную точку проходит одна фазовая траектория. Точка ( y₀ , y₀ ) называется особой точкой, если

P( y₀ , y ₀ )0uQ( y ₀ , y₀ )0.

Замечание. Особые точки классифицируются по характеру фазовых траекторий в их окрестности.

Исследование на устойчивость некоторого решения

y _iy _i ( t )( i1, 2,..., n)

системы (1) можно свести к исследованию тривиального решения – точки покоя, расположенной в начале координат, преобразуя систему к новым

переменным: x_iy _iy _i ( t )отклонениям прежних неизвестных от решения,

исследуемого на устойчивость. В новых переменных система (1) принимает вид:

dx_i

_i( t , x₁

y ₁ ( t ), x₂

y ₁ ( t ),..., x_n y _n ( t )), (8)

1, 2,..., n.

Простейшие типы точек покоя

Исследуем расположение траекторий в окрестности точки покоя х = 0, у = 0 системы двух линейных однородных уравнений с постоянными коэффициентами:

a ₁₁ x

a ₁₂ y

^a11

^a12

где

^a21

^a22

a ₂₁ x

a ₂₂ y

Характеристическое уравнение при этом имеет вид:

k ²( a₁₁a₂₂ )k( a₁₁a₂₂a₂₁a₁₂ )0.

Рассмотрим различные наборы корней этого уравнения:

k₁ и k₂ действительны и различны. Тогда общее решение системы (9) можно задать так:

x c ₁₁ e ^k ¹^t	^c2	₁e^k 2 ^t
k t	c ₂	₂e	k	t ^.
y c ₁₂ e ¹			2

При этом возможны следующие случаи:

а) если k₁ < 0 и k₂ < 0, то точка покоя асимптотически устойчива, так как

_lim_e^k1 ,2^t	0, и все точки, находящиеся в начальный момент t = t₀ в любой –
t

окрестности начала координат, при достаточно большом t переходят в точки, лежащие в сколь угодно малой – окрестности начала координат, а при t

стремятся к началу координат. Такая точка покоя называется устойчивым узлом (рис. 1).

146

Рис. 1

б) если k₁ > 0, k₂ >0, можно свести исследование к предыдущему случаю заменой t на –t. При этом фазовые траектории имеют такой же вид, но направление движения меняется на противоположное, то есть при увеличении t точка удаляется от начала координат, поэтому подобная точка покоя – неустойчивый узел – неустойчива по Ляпунову (рис. 2).

Рис. 2

в) при k₁ > 0, k₂ < 0 точка покоя тоже неустойчива, так как движущаяся по траектории

xc₁₁e ^k¹^t ,yc ₁₂e^k¹^t

точка с возрастанием t выходит из – окрестности начала координат. Точка покоя рассматриваемого типа называется седлом (рис. 3).

147

Рис. 3

k₁_,₂ = p + qi . Тогда общее решение системы (9) можно представить в виде

xe ^pt ( c ₁ cos qtc ₂ sin qt) _,

ye ^pt ( c ₁ cos qtc ₂ sin qt)

где c ₁ , c₂линейные комбинации произвольных постоянных с₁, с₂. При этом

возможны следующие случаи:

a )p0, q0. Тогдаe^pt0приt,а тригонометрические функции

являются ограниченными. Поэтому фазовые траектории являются спиралями,

асимптотически приближающимися при t к началу координат. Таким образом, точка покоя асимптотически устойчива. Она называется устойчивым фокусом (рис. 4).

Рис. 4

б) p > 0, q ≠ 0. Изменяется направление движения по фазовым траекториям, следовательно, точки удаляются от начала координат и точка покоя неустойчива – неустойчивый фокус (рис. 5).

148

Рис. 5

в) р = 0. Траекториями являются замкнутые кривые, окружающие точку покоя, называемую в этом случае центром (рис. 6). Такая точка покоя устойчива, так

как можно подобрать такое , что замкнутые траектории, начальные точки которых лежат в – окрестности начала координат, не выходят за пределы – окрестности начала координат (x² (t) + y² (t) < ² ).

Рис. 6

Корни кратны: k₁ = k₂.

а) k₁ = k₂ < 0. Тогда общее решение

x( t )( c ₁₁c ₂₂t )e^k ¹^t

y( t )( c ₁₂c ₂₂t )e^k ¹^t

стремится к нулю при t, и точка покоя вновь называется устойчивым

узлом (рис. 7).

149

Рис. 7

При₁₂0 получаем частный случай устойчивого узла – так называемый

дикритический узел (рис. 8).

Рис. 8

б) k₁ = k₂ > 0. Направление движения по траекториям меняется – неустойчивый узел (рис. 9).

150

Примеры решения задач

Задача 1.

Определить тип точки покоя системы

4 x

3 x

1) устойчивый узел

2)! неустойчивый узел

3) седло

4) устойчивый фокус

5) неустойчивый фокус

Указание

Исследуйте вид корней характеристического уравнения.

Решение

Найдем корни характеристического уравнения:

4k3

34k

0k₁1,k₂7.

Корни характеристического уравнения действительны, различны и положительны, следовательно, точка покоя – неустойчивый узел. Ответ: неустойчивый узел.

Задача 2.

Определить тип точки покоя системы

4 x

1) устойчивый узел

2) неустойчивый узел

3)! седло

4) устойчивый фокус

5) неустойчивый фокус

Указание

Исследуйте вид корней характеристического уравнения.

Решение

Найдем корни характеристического уравнения:

3k1

42k

0k₁1,k₂2.

Корни характеристического уравнения действительны, различны и имеют разные знаки, следовательно, точка покоя – седло.

Ответ: седло.

151

Задача 3.

Определить тип точки покоя системы

1) устойчивый узел

2) неустойчивый узел

3) седло

устойчивый фокус5)! неустойчивый фокус

Указание

Исследуйте вид корней характеристического уравнения.

Решение

Найдем корни характеристического уравнения:

1k4

41k

0k _1,214 i.

Корни характеристического уравнения комплексны, причем их действительная часть положительна. Следовательно, точка покоя – неустойчивый фокус.

Ответ: неустойчивый фокус.

Задача 4.

Определить тип точки покоя системы

1)! устойчивый узел

2) неустойчивый узел

3) седло

4) устойчивый фокус

5) неустойчивый фокус

Указание

Исследуйте вид корней характеристического уравнения.

Решение

Найдем корни характеристического уравнения:

2 k	1
1	4 k

0k₁k₂3.

Корни характеристического уравнения действительны, кратны и отрицательны. Следовательно, точка покоя – устойчивый узел. Ответ: устойчивый узел.

152

Толық нұсқасын 30 секундтан кейін жүктей аласыз!!!

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз:
Facebook | VK | WhatsApp | Telegram | Twitter

Қарап көріңіз 👇

kz | ҰМЖ, ОМЖ, ҚМЖ - Ұзақ, орта, қысқа мерзімді жоспар | Алгебра

10.04.2023

Автор: altyn2023
45

Пайдалы сілтемелер:
» Туған күнге 99 тілектер жинағы: өз сөзімен, қысқаша, қарапайым туған күнге тілек
» Абай Құнанбаев барлық өлеңдер жинағын жүктеу, оқу
» Дастархан батасы: дастарханға бата беру, ас қайыру