Главная » Просмотр файлов » 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84

1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701), страница 65

Файл №824701 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (Зорич 2-е издание (на английском)) 65 страница1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701) страница 652021-01-17СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 65)

. .and n = 0, 1, . . . .Several methods exist for computing the integral R(cos x, sin x) dx, one ofwhich is completely general, although not always the most efficient.a.We make the change of variable t = tan x2 . Sincecos x =dt =1 − tan2 x2,1 + tan2 x2dx,2 cos2 x2that is,sin x =2 tan x2,1 + tan2 x2dx =2 dt,1 + tan2 x25.7 Primitives319it follows thatR(cos x, sin x) dx =21 − t22tR,dt,1 + t2 1 + t2 1 + t2and the problem has been reduced to integrating a rational function.However, this way leads to a very cumbersome rational function; for that reasonone should keep in mind that in many cases there are other possibilities for rationalizing the integral.b.In the case of integrals of the form R(cos2 x, sin2 x) dx or r(tan x) dx, wherer(u) is a rational function, a convenient substitution is t = tan x, since1,1 + tan2 xdxdt =, that is,cos2 xcos2 x =tan2 x,1 + tan2 xdtdx =.1 + t2sin2 x =Carrying out this substitution, we obtain respectively dt1t2,,R cos2 x, sin2 x dx = R1 + t2 1 + t2 1 + t2dtr(tan x) dx = r(t).1 + t2c.In the case of integrals of the formR cos x, sin2 x sin x dxorR cos2 x, sin x cos x dx.One can move the functions sin x and cos x into the differential and make the substitution t = cos x or t = sin x respectively.

After these substitutions, the integralswill have the formR 1 − t 2 , t dt.− R t, 1 − t 2 dt orExample 151dx2 dt=·=2t3 + sin x3 + 1+t 2 1 + t 23205=22dt=3t 2 + 2t + 3 3d(t + 13 )(t +1 23)+892=3Differential Calculusdu√u2 + ( 2 3 2 )2=3u13t + 11= √ arctan √ + c = √ arctan √ + c =22 222 23 tan x2 + 11+ c.= √ arctan√22 2Here we have used the universal change of variable t = tan x2 .Example 16dx=(sin x + cos x)2dx=+ 1)2d tan xdt1+c====−t +1(tan x + 1)2(t + 1)2cos2 x(tan x=c−1.1 + tan xExample 17dx22 sin 3x− 3 cos2 3x+1======dx=− 3 + (1 + tan2 3x))11d tan 3xdt==33 tan2 3x − 2 33t 2 − 2& d 32 t12=3 23·2 32t − 1u − 111du+c==ln√√u2 − 1 6 6 u + 1 3 6 3t − 1 21+c=√ ln 36 62t + 1 tan 3x − 2 13 + c.√ ln6 6 tan 3x + 23cos2 3x(2 tan2 3x5.7 Primitives321Example 18cos2 x d sin x(1 − t 2 ) dtcos3 xdx===t7sin7 xsin7 x −71111=t − t −5 dt = − t −6 + t −4 + c =−+ c.644 sin4 x 6 sin6 x5.7.5 Primitives of the FormR(x, y(x)) dxLet R(x, y) be, as in Sect.

5.7.4, a rational function. Let us consider some specialintegrals of the formR x, y(x) dx,where y = y(x) is a function of x.First of all, it is clear that if one can make a change of variable x = x(t) suchthat both functions x = x(t) and y = y(x(t)) are rational functions of t, then x (t)is also a rational function andR x, y(x) dx = R x(t), y x(t) x (t) dt,that is, the problem will have been reduced to integrating a rational function.Consider the following special choices of the function y = y(x).a.If y =nax+bcx+d ,where n ∈ N, then, setting t n =x=d · tn − b,a − c · tnax+bcx+d ,we obtainy = t,and the integrand rationalizes.Example 19 3 3 &t3 + 1t +1t +13 x −1=t ·dx = t ddt −dt =33x +11−t1−t1 − t3 2t3 + 1−− 1 dt ==t·1 − t31 − t3dtt3 + 1=+t −2=t·31−t(1 − t)(1 + t + t 2 )3225Differential Calculus 12+t+dt =3(1 − t) 3(1 + t + t 2 )(t + 12 ) + 32222t+dt =ln|1−t|−=31 − t3 3(t + 12 )2 + 34%$322t11+−+ ln |1 − t| − ln t +=3241 − t3 3&2123 x −1− √ arctan √ t ++ c, where t =.2x +133=2t−21 − t3b.√Let us now consider the case when y = ax 2 + bx + c, that is, integrals of the form #R x, ax 2 + bx + c dx.By completing the square in the trinomial ax 2 + bx + c and making a suitable linearsubstitution, we reduce the general case to one of the following three simple cases: # # #R t, t 2 + 1 dt,(5.183)R t, t 2 − 1 dt,R t, 1 − t 2 dt.To rationalize these integrals it now suffices to make the following substitutions,respectively:###t 2 + 1 = tu + 1, ort 2 + 1 = tu − 1, ort 2 + 1 = t − u;###t 2 − 1 = u(t − 1), ort 2 − 1 = u(t + 1), ort 2 − 1 = t − u;###1 − t 2 = u(1 − t), or1 − t 2 = u(1 + t), or1 − t 2 = tu ± 1.These substitutions were proposed long ago by Euler (see Problem 3 at the endof this section).Let us verify, for example, that after the first substitution we will have reducedthe first integral√ to the integral of a rational function.In fact, if t 2 + 1 = tu + 1, then t 2 + 1 = t 2 u2 + 2tu + 1, from which we findt=2u1 − u2and then#t2 + 1 =1 + u2.1 − u25.7 Primitives323√Thus t and t 2 + 1 have been expressed rationally in terms of u, and consequentlythe integral has been reduced to the integral of a rational function.The integrals (5.183) can also be reduced, by means of the substitutions t =sinh ϕ, t = cosh ϕ, and t = sin ϕ (or t = cos ϕ) respectively, to the following forms:R(sinh ϕ, cosh ϕ) cosh ϕ dϕ,R(cosh ϕ, sinh ϕ) sinh ϕ dϕandR(sin ϕ, cos ϕ) cos ϕ dϕExample 20or−dxR(cos ϕ, sin ϕ) sin ϕ dϕ.dt#=.=√√22x + x + 2x + 2t − 1 + t2 + 1x + (x + 1) + 1√Setting t 2 + 1 = u − t, we have 1 = u2 − 2tu, from which it follows that t =u2 −12u .

Therefore111dt111 + 2 du =du +=√22u−12u−1ut −1+ t +11du+2u2 (u − 1) 11111− 2−du == ln |u − 1| +22u−1 uu111 u − 1 += ln |u − 1| + ln+ c.22u2u√It now remains to retrace the path of substitutions: u = t + t 2 + 1 and t = x + 1.dxc. Elliptic IntegralsAnother important class of integrals consists of those of the form #R x, P (x) dx,(5.184)where P (x) is a polynomial of degree n > 2. As Abel and Liouville showed, suchan integral cannot in general be expressed in terms of elementary functions.For n = 3 and n = 4 the integral (5.184) is called an elliptic integral, and forn > 4 it is called hyperelliptic.It can be shown that by elementary substitutions the general elliptic integral canbe reduced to the following three standard forms up to terms expressible in elemen-3245Differential Calculustary functions:##dx(1 − x 2 )(1 − k 2 x 2 )x 2 dx(1 − x 2 )(1 − k 2 x 2 ),(5.185),(5.186)dx#,(1 + hx 2 ) (1 − x 2 )(1 − k 2 x 2 )(5.187)where h and k are parameters, the parameter k lying in the interval ]0, 1[ in all threecases.By the substitution x = sin ϕ these integrals can be reduced to the followingcanonical integrals and combinations of them:dϕ#,(5.188)1 − k 2 sin2 ϕ 1 − k 2 sin2 ϕ dϕ,(5.189)dϕ#.(1 + h sin ϕ) 1 − k 2 sin2 ϕ2(5.190)The integrals (5.188), (5.189) and (5.190) are called respectively the elliptic integral of first kind, second kind, and third kind (in the Legendre form).The symbols F (k, ϕ) and E(k, ϕ) respectively denote the particular elliptic integrals (5.188) and (5.189) of first and second kind that satisfy F (k, 0) = 0 andE(k, 0) = 0.The functions F (k, ϕ) and E(k, ϕ) are frequently used, and for that reason verydetailed tables of their values have been compiled for 0 < k < 1 and 0 ≤ ϕ ≤ π/2.As Abel showed, it is natural to study elliptic integrals in the complex domain, inintimate connection with the so-called elliptic functions, which functions, which arerelated to the ellipticintegrals exactly as the function sin x, for example, is relatedto the integral √ dϕ 2 = arcsin ϕ.1−ϕ5.7.6 Problems and Exercises1.

Ostrogradskii’s35 method of separating off the rational part of the integral of aproper rational fraction.35 M.V. Ostrogradskii (1801–1861) – prominent Russian specialist in theoretical mechanics andmathematician, one of the founders of the applied area of research in the Petersburg mathematicalschool.5.7 PrimitivesLetP (x)Q(x)325be a proper rational fraction, let q(x) be the polynomial having the sameroots as Q(x), but with multiplicity 1, and let Q1 (x) =Show thatQ(x)q(x) .a) the following formula of Ostrogradskii holds:P (x)P1 (x)p(x)dx =+dx,(5.191)Q(x)Q1 (x)q(x) p(x)p(x)P1 (x)where Qandareproperrationalfractionsand(x)q(x)q(x) dx is a transcendental1function.P1 (x)(Because of this result, the fraction Qin (5.191) is called the rational part of1 (x) P (x)the integral Q(x) dx.)b) In the formulaP1 (x) p(x)P (x)=+Q(x)Q1 (x)q(x)obtained by differentiating Ostrogradskii’s formula, the sum at the right hand sidecan be given the denominator Q(x) after suitable cancellations.c) The polynomials q(x), Q1 (x), and then also the polynomials p(x), P1 (x) canbe found algebraically, without even knowing the roots of Q(x).

Thus the rationalpart of the integral (5.191) can be found completely without even computing thewhole primitive.d) Separate off the rational part of the integral (5.191) ifP (x) = 2x 6 + 3x 5 + 6x 4 + 6x 3 + 10x 2 + 3x + 2,Q(x) = x 7 + 3x 6 + 5x 5 + 7x 4 + 7x 3 + 5x 2 + 3x + 1(see Example 17 in Sect.

5.5).2. Suppose we are seeking the primitiveR(cos x, sin x) dx,where R(u, v) =Show thatP (u,v)Q(u,v)(5.192)is a rational function.a) if R(−u, v) = R(u, v), then R(u, v) has the form R1 (u2 , v);b) if R(−u, v) = −R(u, v), then R(u, v) = u · R2 (u2 , v) and the substitutiont = sin x rationalizes the integral (5.192);c) If R(−u, −v) = R(u, v), then R(u, v) = R3 ( uv , v 2 ), and the substitution t =tan x rationalizes the integral (5.192).3. Integrals of the form #R x, ax 2 + bx + c dx.(5.193)3265Differential Calculusa) Verify that the integral (5.193) can be reduced to the integral of a rationalfunction by the following Euler substitutions:√√t = ax 2 + bx + c ± ax, if a > 0,21t = x−xx−x2 if x2 and x2 are real roots of the trinomial ax + bx + c.b) Let (x0 , y0 ) be a point of the curve y 2 = ax 2 + bx + c and t the slope of theline passing through (x0 , y0 ) and intersecting this curve in the point (x, y).

Expressthe coordinates (x, y) in terms of (x0 , y0 ) and t and connect these formulas withEuler’s substitutions.c) A curve defined by an algebraic equation P (x, y) = 0 is unicursal if it admitsa parametric description x =x(t), y = y(t) in terms of rational functions x(t) andy(t). Show that the integral R(x, y(x)) dx, where R(u, v) is a rational functionand y(x) is an algebraic function satisfying the equation P (x, y) = 0 that definesthe unicursal curve, can be reduced to the integral of a rational function.d) Show that the integral (5.193) can always be reduced to computing integralsof the following three types:dxP (x)dx,√√ax 2 + bx + c(x − x0 )k · ax 2 + bx + c(Ax + B) dx.√(x 2 + px + a)m · ax 2 + bx + c4. a) Show that the integralpx m a + bx n dxwhose differential is a binomial, where m, n, and p are rational numbers, can bereduced to the integral(a + bt)p t q dt,(5.194)where p and q are rational numbers.b) The integral (5.194) can be expressed in terms of elementary functions if oneof the three numbers p, q, and p + q is an integer.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
5,08 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6418
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее