Iracionaliųjų funkcijų integravimas (papildomai)


2. Trupmeninių tiesinių iracionalumų integravimas keisti

Šiame skirsnyje įrodysime, kad bet kokios funkcijos
 
(a, b, c ir d - realūs skačiai, n - natūrinis skaičius) integralas yra elementarioji funkcija. Tokio tipo funkcijas vadinsime trupmeniniais tiesiniais iracionalumais.
Įsitikinsime, kad (7.64) funkcijos integralas, kai   (jei   tada tai reiškia, kad k(ax+b)=cx+d su tam tikru realiu skaičiumi k), racionalizuojamas keitiniu   Iš tikrųjų
 
 
Todėl
 
Kadangi racionalioji funkcija, kurios argumentas yra racionalioji funkcija, irgi yra racionalioji funkcija, tai integralas, parašytas paskutinės lygybės dešinėje pusėje yra racionaliosios funkcijos integralas. Vadinasi įrodėme, kad (7.64) trupmeninio tiesinio iracionalumo integralas racionalizuojamas keitiniu  


Pavyzdžiai.

  • Apskaičiuosime integralą   Pakeitę
 
 
gauname
 
 
 


5. Kvadratinių iracionalumų integravimas kitais būdais keisti

Nors Oilerio keitiniais
 
funkcijos integralas visada racionalizuojamas, bet dažniausiai gaunami labai griozdiški ir sudėtingi reiškiniai. Todėl praktikoje (7.66) funkcija integruojama kitais būdais. Juos ir aptarsime šiame skirsnyje.
Pažymėję   ir atkreipę dėmesį į tai, kad   yra polinomas, (7.66) funkciją galime išreikšti suma
 
(vietoje   įrašę   galime padaryt, kad y būtų skaityklyje; taip pat galime parinkti   kad jis būtų aukštesnio laipsnio polinomas nei  , bet turėtų tas pačias šaknis kaip  )
čia   ir   - tam tikros racionalios vieno kintamojo funkcijos. Kadangi funkcijos   integralas yra elementarioji funkcija, tai užtenka išnagrinėti kaip apskaičiuojamas funkcijos   integralas.
Žinome, kad kiekvieną racionaliąją trupmeną   galima išreikšti polinomo P(x) ir taisiklingos racionaliosios trupmenos   suma. Taisiklingą racionaliąją trupmeną   savo ruožtu galima išreikšti paprasčiausių trupmenų suma. Turėdami tai galvoje, galime tvirtinti, kad funkcijos   integravimas pakeičiamas trijų tipų integralų skaičiavimu:
I.   kai P(x) - polinomas;
II.   kai A ir B - realieji skaičiai, o   - natūrinis skaičius;
III.   kai M, N, p ir q - realieji skaičiai,   - natūrinis skaičius ir, be to,   (  neturi realių šaknų).
Visų trijų tipų integralus išnagrinėsime atskirai.

Pirmojo tipo integralas keisti

I. Pirmojo tipo integralui apskaičiuoti pirmiausia išvesime integralo
 
rekurentinę formulę. Tarę, kad   suintegruosime diferencijavimu patikrinamą tapatybę:
 
 
 
 
 
Suintegravę šią tapatybę panariui, gauname lygybę
 
Į (7.69) lygybę įrašę   turime
 
 
 
 
Į (7.69) lygybę įrašę   ir pasinaudoję apskaičiuotąja integralo   reikšme (t. y. (7.70) formule), gausime
 
 
 
 
 
 
 
Taip samprotaudami toliau, išvesime bendrąją formulę
 
čia   - koks nors (m-1)-ojo laipsnio polinomas, o   - realusis skaičius.
Jei I tipo integrale P(x) yra n-ojo laipsnio polinomas, tai I tipo integralas bus lygus integralų   su atitinkamais daugikliais (polinomo P(x) koeficientais) sumai. Todėl iš (7.71) lygybės aišku, kad I tipo integralas galutinai apskaičiuojamas pagal tokią formulę:
 
čia   yra koks nors (n-1)-ojo laipsnio polinomas, o   - realusis skaičius. Polinomo   koeficientus ir skaičių   randame neapibrėžtųjų koeficientų metodu. Tam reikalui polinomą   užrašome su raidiniais koeficientais:
 
Išdiferencijavę (7.72) lygybę ir diferencijavimo rezultatą padauginę iš y, gauname
 
 
 
Abiejose tos lygybės pusėse parašyti n-ojo laipsnio polinomai. Palyginę jų koeficientus, sudarome   tiesinių lygčių sistemą, iš kurios randame   ir   Sudarytoji sistema išsprendžiama, nes teisinga išvestoji (7.72) formulė. Lieka tik pridurti, kad iš integralo, parašyto (7.72) lygybės dešinėje pusėje, tiesiniu keitiniu   gaunamas lentelinis integralas. Naudojantis tuo keitiniu, integralas   nekreipiant dėmesio į pastovų daugiklį, pakeičiamas arba integralu
  ( ),
arba integralu
 


Pavyzdys. Apskaičiuosime integralą
 
(7.72) formulė, pritaikyta pateiktajam integralui, bus šitokia:
 
Išdiferencijavę abi šios lygybės puses ir rezultatą padauginę iš   gausime
 
 
Palyginę koeficientus prie   ir   kairėje ir dešinėje pusėje, sudarome lygčių sistemą
 
Išsprendę šią sistemą, randame   Integralą, parašytą (7.74) lygybės dešinėje pusėje, apskaičiuojame, naudodamiesi keitiniu  :
 
Galutinai
 

Antrojo tipo integralas keisti

II. Skaičiuosime II tipo integralą. Įsitikinsime, kad iš jo keitiniu   gaunamas I tipo integralas. Iš tikrųjų, kadangi
 
 
tai
 
 

Trečiojo tipo integralas keisti

III. Aptarsime pagaliau, kaip skaičiuojamas III tipo integralas. Pirmiausia išnagrinėsime, kaip skaičiuoti III tipo integralą tuo atveju, kai   t. y. integralą
 
Jis yra dviejų integralų
  ir  
suma. Pirmąjį iš jų galima užrašyti šitaip:
 
iš čia aišku, kad pointegralinė funkcija yra tiesinis (bet ne kvadratinis) iracionalumas   atžvilgiu. Kaip įsitikinome 2 skirsnyje, integralas   racionalizuojamas keitiniu   Integralą   galima užrašyti šitaip (tariame, kad  ):
 
 
o iš to aišku, kad pointegralinė funkcija yra tiesinis iracionalumas   atžvilgiu. Todėl integralas   racionalizuojamas keitiniu   Taigi III tipo integralą racionalizavome atskiru atveju, kai abu kvadratiniai trinariai neturi pirmojo laipsnio narių.
Dabar išnagrinėsime III tipo integralą bendruoju atveju ir įrodysime, kad jį galima pakeisti ką tik ištirtu integralu. Jei kvadratinių trinarių koeficientai yra susieti lygybe
 
tai III tipo integralo pakeitimui jau ištirtuoju integralu pakanka keitinio   Iš tikrųjų
 
(Iš tikro, vietoje t dešinėje lygybės pusėje įstatę   gauname pradinį integralą:
 
 
 
Nes   ir  )
III tipo integralą sunkiau pakeisti anksčiau ištirtuoju integralu tuo atveju, kai kvadratinių trinarių koeficientai nėra susieti (7.75) lygybe. Tuomet iš pradžių reikia naudotis trupmeniniu tiesiniu keitiniu
 
taip pasirinkus koeficientus   ir   kad kvadratiniai trinariai neturėtų pirmojo laipsnio narių t atžvilgiu. Įsitikinsime, kad tokius   ir   pasirinkti galima. Pasinaudoję (7.76) keitiniu, gauname
 
 
Vadinasi, koeficientai   ir   nustatomi iš lygčių sistemos
 
arba iš jai ekvivalenčios lygčių sistemos
 
(Antroje sistemoje   gavome pirmos sistemos pirmą eilutę padauginę iš (-a) ir sudėję su antra eilute. Tada gaunasi:
 
 
 
Antroje sistemoje   gavome pirmos sistemos pirmą eilutę padauginę iš (-b), o antrą eilutę padauginę iš p ir abi [pirmos sistemos] eilutes sudėję. Po sudeties turime:
 
 
 
 )
Taigi   ir   yra šaknys kvadratinės lygities (pagal Vieto teoremą)
 
Liko įrodyti, kad ta kvadratinė lygtis turi realias ir skirtingas šaknis (  ir  ). Tam reikalui užtenka įsitikinti, kad jos diskriminantas yra teigiamas, t. y. užtenka įrodyti nelygybę
 
 
Lengva patikrinti, kad (7.78) nelygybė yra ekvivalenti nelygybei
 
Kadangi kvadratinis trinaris   turi menamas šaknis, tai  
(7.79) nelygybė tikrai yra teisinga, kai   Įrodysime, kad ji yra teisinga ir tuo atveju, kai   Tuomet   ir   (nes  ). Todėl, atsižvelgę į tai, kad   galėsime rašyti:
 
Parašytoje nelygybių grandinėje yra bent vienas griežtos nelygybės ženklas >, nes pirmasis ženklas   virsta   tik tada, kai   jei   tai iš nelygybės   išplaukia   todėl antrasis ženklas   nevirsta ženklu =. Įrodėme, kad (7.79) nelygybė yra teisinga, t. y. galima pasirinkti tokius   ir   su kuriais gautuosiuose kvadratiniuose trinariuose nėra pirmojo laipsnio narių   atžvilgiu. Panaudojus (7.76) keitinį su tokiais   ir   III tipo integralas pakeičiamas integralu
 
čia   ir   - kokie nors realūs skaičiai, o P(t) yra  -ojo laipsnio polinomas. Trupmeną (kai  )   išreiškus paprasčiausių trupmenų suma, vietoj (7.80) integralo užteks apskaičiuoti integralus
 
Tokie integralai buvo anksčiau ištirti. Įrodėme, kad visų trijų I, II ir III tipų integralai yra elementariosios funkcijos. Vadinasi, dar kartą (be Oilerio keitinių) įsitikinome, kad (7.66) funkcijos integralas išreiškiamas elementariosiomis funkcijomis.


Pavyzdys. Apskaičiuosime integralą   Tai III tipo integralas. Kadangi jis netenkina (7.75) sąlygos, tai pirmiausia turime padaryti (7.76) keitinį. Po tokio pakeitimo
 
 
Koeficientus   ir   randame iš lygčių sistemos
 
Lengva įsitikinti, kad   (gali būti ir priešingai:  ). Vadinasi, (7.76) keitinys yra   todėl
   
 
 
 
 
Nagrinėjamasis integralas virsta šitokiu:
 
jei
 
Integralui   apskaičiuoti naudosime keitinį   o integralui   - keitinį  
Tada integralui   turime:
 
  ir
 
 
 
 
O integralui   turime:
 
 
 
 
Toliau pasinaudosime racionaliųjų funkcijų angliškos Vikipedijos integralų lentele iš čia: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_integrals_of_rational_functions
Mums prireiks šito integralo:
 
Tada, kai   gauname:
 
 
 
 
Tada, kai   gaunasi (skaičiuojant analogiškai):
 
Na, o [labai seno] vadovelio atsakyme, panašu, kad įsivėlus klaidelė, nes gaunamas toks (truputi kitoks) atsakymas:
 
Vadovelio atsakymas skiriasi tuom, kad turi modulio ženklą ir   tam tikrose vietose vietoj