в неопределенном интеграле введена новая переменная t 2 x тогда интеграл примет вид
Метод замены переменной в неопределённом интеграле
Суть метода замены переменной
Во многих случаях подынтегральное выражение не позволяет сразу же найти интеграл по таблице. Тогда введение новой переменной интегрирования помогает свести нахождение данного интеграла к нахождению табличного интеграла. Такой метод называется методом подстановки или методом замены переменной.
Прежде чем перейти к подробным решениям примеров, следует привести теорему, в которой обобщаются перечисленные выше действия.
Теорема. Пусть функция 
определена и дифференцируема на некотором промежутке Т и пусть Х – множество значений этой функции, на котором определена функция f(x). Тогда, если на множестве Х функция f(x) имеет первообразную, то на множестве Т справедлива формула
(1)
Формула (1) называется формулой замены переменной в неопределённом интеграле.
Метод замены переменной обычно применяется, когда подынтегральное выражение представляет собой независимую переменную, умноженную на многочлен от этой переменной, или на тригонометрическую функцию от этой переменной или на степенную функцию (в том числе корень) от этой переменной.
Применяем замену переменной вместе
Надо полагать, вы уже держите перед собой домашние задания и готовы применять к ним приёмы по аналогии с теми, которые мы ниже рассмотрим. При этом не обойтись без преобразований выражений. Для этого потребуется открыть в новых окнах пособия Действия со степенями и корнями и Действия с дробями.
Пример 1. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.
Замечание. При замене переменной в неопределённом интеграле иногда более удобно задавать не х как функцию t, а, наоборот, задавать t как функцию от x.
Заметим, что удачный выбор подстановки обычно представляет известные трудности. Для их преодоления необходимо овладеть техникой дифференцирования и хорошо знать табличные интегралы.
Пример 2. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Решение. Положим 
. Отсюда 
.
По формуле (1)
.
Возвращаясь к переменной x, окончательно получаем
Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.
Если трудно уследить, куда в процессе решения примера 2 делись 
и 
, это признак того, что нужно повторить действия со степенями из элементарной (школьной) математики.
Пример 3. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Решение. Положим 
, откуда 
и 
.
Тогда 
, в свою очередь 
.
Заменяем переменную и получаем:
,
где степени при t складываются. Продолжаем преобразования и получаем:
Приводим дроби к общему знаменателю и возвращаемся к переменной x. Решаем и получаем ответ:
Применить замену переменной самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 4. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Пример 5. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Пример 6. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Снова применяем замену переменной вместе
Пример 7. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Решение. Положим 
, откуда 
, 
, 
.
Тогда
(не забываем о правиле дифференцирования сложной функции).
Заменяем переменную и получаем:
.
Возвращаясь к переменной х, получаем ответ:
.
Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.
Пример 8. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Решение. Положим 
, откуда 
, 
.
Заменяем переменную и получаем:
Подставляя вместо t его выражение через x получаем ответ:
Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.
Кому лишь смутно понятно или совсем не понятно, как преобразуются выражения в примере 5, пожалуйста, повторите из курса элементарной (школьной) математики действия с корнями, степенями и дробями!
И если вы ещё не открыли в новых окнах пособия Действия со степенями и корнями и Действия с дробями, то сделайте это сейчас!
Пример 9. Найти неопределённый интеграл методом замены переменной:
.
Решение. Положим 
, тогда 
.
Заменяем переменную и получаем:
Решение с переменной t получено с использованием формулы 21 из таблицы интегралов.
Подставляя вместо t его выражение через x получаем ответ:
.
Проверить решение задач на неопределённый интеграл можно на калькуляторе неопределённых интегралов онлайн.
Неопределенный интеграл
Неопределенный интеграл онлайн
В школе говорят, интеграл – это значок ∫, а вычисление интеграла, то есть процесс интегрирования, – это операция обратная дифференцированию. Согласитесь скучно!
Разумеется, у школьников возникает резонный вопрос: а нафиг он нам нужен?
Но если бы учитель уделил несколько минут на вводную про интегралы, такой вопрос всё равно бы возник, но уже не у всех!
Вводная к интегралам
В далеком 17 веке были на тот момент нерешенные насущные проблемы, а именно изучались закономерности движения тел. Много трудов было проделано Ньютоном, чтобы понять, как вычисляется скорость тела в любой момент времени. Но чем дальше, тем оказалось интереснее.
Допустим, мы знаем закон изменения скорости тела – это некая функция. Тогда площадь фигуры, ограниченная этой кривой и осью координат, будет равна пройденному пути. Вычисляя неопределенный интеграл от функции, мы как раз находим общий закон движения.
В этом заключается один из физических смыслов интеграла.
Как вы уже поняли, геометрический смысл интеграла – это площадь криволинейной трапеции. Соответственно с помощью кратного интеграла вычисляется объем тела.
Лейбниц и Ньютон заложили основы дифференциального и интегрального исчисления. В последующие десятилетия было много великих открытий, связанных с вычислением интегралов.
Поскольку подынтегральная функция может принимать различные виды, естественно это привело к разделению интегралов на свои типы, а главное были отрыты многочисленные методы решения интегралов.
Но не все так безоблачно. На практике часто происходит так, что в аналитическом виде вычислить интегралы невозможно, то есть используя какой-либо известный метод. Конечно, получить аналитическое решение это здорово, но, с другой стороны, главное ведь вычислить точное значение интеграла. В этом случае интегралы решаются численными методами. Благодаря компьютерным мощностям, такие задачи не представляют особых сложностей для современного человека.
Калькулятор решения интегралов
Теперь самое интересное. Еще каких-то 15 лет назад школьник и помыслить не мог, что под рукой будут такие калькуляторы интегралов, как, например, наш. Это безусловно облегчает процесс обучения. Можно проверять свои решения, находить допущенные ошибки и лучше усваивать образовательный курс.
И тут в который раз повторяем, калькулятор решения интегралов – это только ваш безотказный помощник, к которому можете обратиться в любое время. Но никак не подмена вашей головы. Старайтесь самостоятельно решать задачи, только так можно развивать мышление, а компьютер будет в помощь.
Решение задач по математике онлайн
//mailru,yandex,google,vkontakte,odnoklassniki,instagram,wargaming,facebook,twitter,liveid,steam,soundcloud,lastfm, // echo( ‘
Калькулятор онлайн.
Вычислить неопределенный интеграл (первообразную).
Этот математический калькулятор онлайн поможет вам вычислить неопределенный интеграл (первообразную). Программа для вычисления неопределенного интеграла (первообразной) не просто даёт ответ задачи, она приводит подробное решение с пояснениями, т.е. отображает процесс интегрирования функции.
Данная программа может быть полезна учащимся старших классов общеобразовательных школ при подготовке к контрольным работам и экзаменам, при проверке знаний перед ЕГЭ, родителям для контроля решения многих задач по математике и алгебре. А может быть вам слишком накладно нанимать репетитора или покупать новые учебники? Или вы просто хотите как можно быстрее сделать домашнее задание по математике или алгебре? В этом случае вы также можете воспользоваться нашими программами с подробным решением.
Таким образом вы можете проводить своё собственное обучение и/или обучение своих младших братьев или сестёр, при этом уровень образования в области решаемых задач повышается.
Немного теории.
Первообразная (неопределенный интеграл)
Ранее мы по заданной функции, руководствуясь различными формулами и правилами, находили ее производную. Производная имеет многочисленные применения: это скорость движения (или, обобщая, скорость протекания любого процесса); угловой коэффициент касательной к графику функции; с помощью производной можно исследовать функцию на монотонность и экстремумы; она помогает решать задачи на оптимизацию.
Но наряду с задачей о нахождении скорости по известному закону движения встречается и обратная задача — задача о восстановлении закона движения по известной скорости. Рассмотрим одну из таких задач.
Пример 1. По прямой движется материальная точка, скорость ее движения в момент времени t задается формулой v=gt. Найти закон движения.
Решение. Пусть s = s(t) — искомый закон движения. Известно, что s'(t) = v(t). Значит, для решения задачи нужно подобрать функцию s = s(t), производная которой равна gt. Нетрудно догадаться, что \( s(t) = \frac
\( s'(t) = \left( \frac
Ответ: \( s(t) = \frac
Сразу заметим, что пример решен верно, но неполно. Мы получили \( s(t) = \frac
Чтобы задача стала более определенной, нам надо было зафиксировать исходную ситуацию: указать координату движущейся точки в какой-либо момент времени, например при t = 0. Если, скажем, s(0) = s0, то из равенства s(t) = (gt 2 )/2 + C получаем: s(0) = 0 + С, т. е. C = s0. Теперь закон движения определен однозначно: s(t) = (gt 2 )/2 + s0.
В математике взаимно обратным операциям присваивают разные названия, придумывают специальные обозначения, например: возведение в квадрат (х 2 ) и извлечение квадратного корня ( \( \sqrt
Сам термин «производная» можно обосновать «по-житейски»: функция у = f(x) «производит на свет» новую функцию у’ = f'(x). Функция у = f(x) выступает как бы в качестве «родителя», но математики, естественно, не называют ее «родителем» или «производителем», они говорят, что это, по отношению к функции у’ = f'(x), первичный образ, или первообразная.
Определение. Функцию y = F(x) называют первообразной для функции y = f(x) на промежутке X, если для \( x \in X \) выполняется равенство F'(x) = f(x)
На практике промежуток X обычно не указывают, но подразумевают (в качестве естественной области определения функции).
При нахождении первообразных, как и производных, используются не только формулы, но и некоторые правила. Они непосредственно связаны с соответствующими правилами вычисления производных.
Мы знаем, что производная суммы равна сумме производных. Это правило порождает соответствующее правило нахождения первообразных.
Правило 1. Первообразная суммы равна сумме первообразных.
Мы знаем, что постоянный множитель можно вынести за знак производной. Это правило порождает соответствующее правило нахождения первообразных.
Правило 2. Если F(x) — первообразная для f(x), то kF(x) — первообразная для kf(x).
Теорема 1. Если y = F(x) — первообразная для функции y = f(x), то первообразной для функции у = f(kx + m) служит функция \( y=\frac<1>
Теорема 2. Если y = F(x) — первообразная для функции y = f(x) на промежутке X, то у функции у = f(x) бесконечно много первообразных, и все они имеют вид y = F(x) + C.
Методы интегрирования
Метод замены переменной (метод подстановки)
Метод интегрирования подстановкой заключается во введении новой переменной интегрирования (то есть подстановки). При этом заданный интеграл приводится к новому интегралу, который является табличным или к нему сводящимся. Общих методов подбора подстановок не существует. Умение правильно определить подстановку приобретается практикой.
Пусть требуется вычислить интеграл \( \textstyle \int F(x)dx \). Сделаем подстановку \( x= \varphi(t) \) где \( \varphi(t) \) — функция, имеющая непрерывную производную.
Тогда \( dx = \varphi ‘ (t) \cdot dt \) и на основании свойства инвариантности формулы интегрирования неопределенного интеграла получаем формулу интегрирования подстановкой:
\( \int F(x) dx = \int F(\varphi(t)) \cdot \varphi ‘ (t) dt \)
Интегрирование выражений вида \( \textstyle \int \sin^n x \cos^m x dx \)
Если m нечётное, m > 0, то удобнее сделать подстановку sin x = t.
Если n нечётное, n > 0, то удобнее сделать подстановку cos x = t.
Если n и m чётные, то удобнее сделать подстановку tg x = t.
Интегрирование по частям
Замена переменной в неопределённом интеграле.
И в чём же заключается могущество сего метода? А в том, что в подавляющем большинстве случаев именно он позволяет превращать многие ужасные, на первый взгляд, примеры в белые и пушистые.) Например, интеграл с каким-нибудь страшным корнем или арксинусом после удачной замены может свестись к безобидному многочлену. Или к рациональной функции, которая всяко проще для интегрирования. Имеет смысл разобраться!
Суть замены переменной. Простейшие примеры.
Процедура замены переменной знакома всем вам ещё со школы. Например, решая жуткое тригонометрическое уравнение
что вы обычно делаете? Правильно! Вы заменяете выражение sin x новой буквой — y, z, t — какой хотите. И дальше работаете уже с более простым квадратным уравнением — дискриминант считаете, тыры-пыры…
Всё то же самое и с интегралами.) Принцип тот же. Основная идея любой замены состоит в том, чтобы выражение, которое нам не нравится, заменить новой буквой. И все остальные части примера также выразить через эту самую новую букву. Тогда, если после всех преобразований пример упрощается, то, значит, основная цель данной замены выполнена. 🙂
На прошлом уроке я уже говорил, что метод подведения функции под знак дифференциала — это простейший частный случай более общего метода замены переменной. Теперь настал черёд посмотреть, почему же это именно так и как работает сама процедура замены. Примеров в данном уроке будет не так много, но все они будут разобраны максимально подробно. Чтобы суть уловить.) Рассмотрим все проблемные места, исследуем каждую тонкость.
Начнём сразу с примера. Чтобы далеко не ходить, давайте вернёмся к нашему самому первому примеру из прошлого урока.
Пример 1
Что мы делали в прошлый раз, когда решали этот пример? Сначала мы добивались равенства выражений в показателе экспоненты и под дифференциалом. Для этого мы сначала выражали новый дифференциал d(3x) через старый dx, а уже в самом конце вводили новую переменную 3х = t и сводили наш интеграл к табличному.
Всё решение примера выглядело вот так:
А теперь подойдём к данному примеру немного с другой стороны. Для начала вопрос: что вам больше всего не нравится в данном примере? 99 человек из 100 скажут: три икс! И будут правы. ) Вот и будем от этого самого 3х избавляться. Безопасно для самого примера.)
Для этого поступаем просто и элегантно. Нам ведь в примере не нравится 3х, верно? Вот и заменяем это самое 3х новой буквой! Да-да! Прямо сразу! Безо всяких дифференциалов. Дифференциалы будут потом.)
Но для применения табличной формулы этого пока мало. Почему? А потому, что, раз уж мы ввели новую переменную t, то, ясное дело, и весь пример целиком также должен быть выражен через t! А у нас в примере пока что торчит старый дифференциал dx. Надо бы его тоже как-то превратить в dt. Как? Очень просто!
Чтобы понять, во что же у нас превратится дифференциал dx, самым логичным было бы сначала выразить сам икс через новую переменную t. Здесь это проще простого. Для этого берём наше равенство 3x = t и выражаем из него икс через t. Вот так:
Отлично. Полдела сделано.) И теперь, чтобы выразить интересующий нас дифференциал dx через букву t, просто берём дифференциалы от обеих частей нашего равенства. Думаю, для этой процедуры комментарии уже излишни:
Вот и всё. Вставляем теперь в наш пример вместо dx выражение dt/3, выносим дробь 1/3 за знак интеграла и дорешиваем по таблице. Чистовое оформление примера теперь выглядит немного по-другому. Вот так:
Как видите, ответ получился тем же самым. Что вполне логично.)
Разберём ещё один пример с непосредственной заменой линейной конструкции. На закрепление.)
Пример 2
Напрашивается табличная формула с синусом:
Только э-э-э… в формуле стоит просто икс, а в нашем примере под синусом стоит сложный аргумент 11х+5. Неувязочка… А что, если заменить этот сложный аргумент 11х+5 новой буквой? Ведь именно это выражение нам и не нравится! Посмотрим…
На черновике так прямо и пишем вот такую заготовку:
 превращается в sin t, а dx превращается в dt/11. Жизнь налаживается.) Не пример, а сплошное удовольствие)</p><p style=)
А теперь посмотрим на решение того же примера методом подведения выражения 11х+5 под дифференциал:
Получили тот же самый ответ, но оформление всё же немного другое. Почувствовали разницу?
В чём сходство этих двух способов? В том, что и там и тут мы заменяем новой буквой одно и то же выражение (в наших примерах это 3х и 11х+5). А отличие этих двух способов состоит лишь в том, на каком этапе решения вводится сама замена. Здесь мы сразу заменяем новой буквой то, что нам не нравится, потом связываем переменные старую с новой, а уж потом, в самом конце, находим связь и между их дифференциалами. А в методе подведения мы сначала связываем сами дифференциалы, а уже потом вводим замену. Или даже вообще не вводим, если уже «руку набили».:)
Как видите, и так и сяк решать можно. Тем, кто крепко дружит с дифференциалами, рекомендую сразу решать подобные интегралы методом подведения. Ибо такое решение гораздо короче. А этот способ, с изначальной заменой, хорош для тех студентов, кто с дифференциалами пока того… не очень…) Или если пример достаточно накрученный. Но зато этот способ более понятен, универсален и надёжен! Спасает в любой ситуации. Если, конечно, удачно выбрана сама замена.)
Это были самые простые примеры, где заменялась линейная конструкция — так, для разминки. Суть ясна, я думаю.)
А теперь разберём примеры посерьёзнее. Такие, где надо заменять не линейные, а более сложные выражения и подвести функцию под дифференциал уже не так-то просто, хоть и возможно. Как и в прошлом уроке, суть этой группы примеров будет заключаться в выделении из подынтегральной функции f(x) какой-то вспомогательной функции g(x) и её производной g’(x). И последующей замене g(x) = t. Здесь уже надо уметь чувствовать и узнавать в функциях производные других функций. В лицо! Зачем? А чтобы удачно подобрать замену! Ведь можно и неудачно подобрать, да. Особенно если плохо знать таблицу производных. Об этом мы уже подробно поговорили на прошлом уроке.)
Пример 3
Внимательно осматриваем пример и ищем в подынтегральной функции конструкцию, которая нам больше всего не нравится. Вот тут, в отличие от предыдущих примеров, уже возможны варианты. Кому-то не понравится корень, кому-то сам по себе корень будет по душе, но не понравится выражение 5х 2 +1, стоящее под корнем. Отдельным индивидуумам может не понравиться множитель x… Что именно заменять — пока не знаем. Всматриваемся дальше. У нас есть подкоренная конструкция 5х 2 +1 и есть множитель х, отдалённо похожий на её производную, так как
Именно это равенство и должно служить ключевой зацепкой!
А не попробовать ли заменить наше сложное подкоренное выражение 5х 2 +1 новой буквой? Что ж, попробуем и посмотрим, к чему это приведёт. Итак, делаем замену:
Тогда наш корень после такой замены превратится в безобидную степенную конструкцию:
Так, с корнем расправились. Но, помимо корня, под интегралом у нас ещё осталось произведение xdx, которое тоже надо выразить через новую букву t, да.
Для этого немного схитрим. Не будем выражать «в лоб» икс через t, а затем искать dx. Это можно, но не нужно. Почему — объясню позже. Давайте сразу продифференцируем наше равенство для замены! Да-да! Целиком! Обе части. Вот так:
5х 2 +1 = t (это равенство — наша замена)
d( 5х 2 +1) = dt (дифференцируем обе части)
(5х 2 +1)’dx = dt (раскрываем дифференциалы)
И что нам даёт эта запись? А то, что из неё теперь легко выражается нужная нам конструкция xdx:
Всё. Начинка интеграла теперь полностью выражена через t. Продолжаем наши игры.)
Подставляем теперь все данные в наш пример и получаем простенький табличный интеграл от степенной функции (n = 1/3, n+1 = 4/3):
Вот и все дела.) Пример разложили по полочкам. А можно ли решить данный интеграл через подведение под значок d? Можно! В одну строчку!
Другое дело, что догадаться, какую именно конструкцию надо подводить под дифференциал, уже гораздо сложнее: легко запутаться в коэффициентах. И под силу не каждому студенту. Поэтому те, кто пока не наловчился в подведении функции под дифференциал — решаем подобные примеры сразу через замену. Аккуратно. Чуть длиннее, зато надёжнее.)
А теперь ответ на вопрос, почему я не стал в явном виде выражать икс через t и затем находить dx. Не стал я этого делать по той причине, что наличие х 2 в подкоренном выражении резко усложняет эту процедуру из-за того, что возникают корни.
Тогда для дифференциала этого самого икса мы получим:
И, если теперь подставить в наш пример отдельные выражения для x и dx, то наши нехорошие корни благополучно сократятся и мы придём к тому же самому интегралу:
Как видите, получили всё то же самое, только выкладки более громоздкие. Поэтому, по возможности, сокращаем объём работы: ошибок меньше будет. 🙂
Иногда встречаются и сюрпризы, когда замену переменной приходится проделывать более одного раза. Ничего страшного! Просто аккуратно заменяем неудобную конструкцию и последовательно упрощаем пример, шаг за шагом добираясь до табличного интеграла. И, конечно, после получения результата корректно осуществляем обратную замену. От новой переменной к предыдущей.)
Пример 4
Что, внушает? Минутку смотрим на пример, ужасаемся, после чего берём себя в руки и вспоминаем золотое правило всей математики:
Не знаешь, что нужно — делай, что можно!
И размышляем. Примерно так:
Если вы мыслите примерно так, то вы движетесь правильным курсом. Да! Сводим всё подынтегральное выражение к одному аргументу — к иксу. Два икс тут явно ни к чему.
Ну вот, уже лучше. В аргументах остались только иксы. А теперь снова пытаемся выявить родственные функции, опираясь на таблицу производных. Сразу же видно, что в получившейся дроби везде тусуются синусы, а в числителе в качестве множителя затесался косинус. Но косинус — ближайший родственник синуса! Родственник по производной. Ибо таблица производных гласит, что:
Поэтому вводим напрашивающуюся замену sin x = t и продолжаем упрощать наш злой пример:
Отлично. Все синусы пропали напрочь, при этом суть примера не изменилась.
А дальше что делать с этой дробью? Таблица-то не катит! Нету пока подходящей формулы… Тупик? Вовсе нет! Опять внимательно осматриваем нашу дробь, выявляя родню по производной/дифференциалу, и… радостно замечаем, что в числителе стоит дифференциал знаменателя!
Мы же понимаем, что под дифференциал мы имеем право спрятать любую константу! В том числе и «пи».)
А вот теперь снова вводим замену! Да-да!
Тогда вообще красота получится!
Вот и всё. И нету больше никакого «пи»! Спряталось оно под дифференциал. Как и любая константа, да… А ведь как испугало в самом начале! 🙂 Пример становится всё лучше и лучше:
Вот мы и свели ужасную дробь к безобидному табличному интегралу. По шагам, через две замены.) Но радоваться ещё рано, так как это ещё не ответ: нам икс нужен, а не z или t. Поэтому теперь последовательно проводим обратную замену. Тоже по шагам:
Всё. Теперь со спокойной душой записываем окончательный ответ нашего злого примера:
С опытом необходимость так подробно всё расписывать отпадёт сама собой. За ненадобностью. И особо продвинутые студенты этот интеграл легко вычислят в одну строчку вообще без замены! С помощью подведения под дифференциал, ага:
Быстро, правда? И вы тоже так сможете! Причём опыт нарабатывается достаточно скоро. Тренировка — залог успеха.)
Ну как, прониклись? Замена переменной (вкупе с подведением под дифференциал) — оч-чень мощный инструмент для интегрирования! И золотой ключик к успешному решению самых разнообразных примеров. 🙂 Это было начальное знакомство с самой сутью замены, чтобы прочувствовать, как именно она работает.
А со следующего урока мы уже начнём копать глубже и познакомимся с отдельными специфическими видами замен — степенной заменой и тригонометрической заменой. И типовые примеры тоже обязательно порешаем. Посерьёзнее.)
А теперь несколько несложных примеров для тренировки.
Найти неопределённые интегралы
а) методом подведения функции под знак дифференциала,
б) непосредственной заменой переменной,
в) сравнить результаты и проверить ответ дифференцированием.
Ответов здесь тоже не дам. Не вижу смысла. Примеры довольно простые, и материала сегодняшнего и прошлого уроков вполне достаточно для успешной расправы с ними.) Проверяйте окончательный ответ обратным дифференцированием, не ленитесь! 🙂 Выучите таблицу производных! Узнавайте в лицо производные популярных функций. Да-да! Обратное дифференцирование — самый надёжный помощник в интегрировании.
И тогда удача обязательно улыбнётся, поверьте! А у меня пока всё, продолжение следует!