Matematika/Iracionaliųjų funkcijų integravimas

Iš Wikibooks.

Šis straipsnis yra apie iracionaliųjų funkcijų integravimą.

kur

kur

  • kur
  • kur
  • kur

Papildomai[keisti]

Oilerio keitiniai[keisti]

Funkcijos
(a, b ir c - realieji skačiai) integralas yra elementarioji funkcija.


I.  ; a>0;

. Pakėlus abi dalis lygybės kvadartu, gauname taip kad
Tinka, kai kvadrainis trinaris turi menamas šaknis.


II.  ; c>0. Tada

(Mes apsisprendėme prieš šaknį pasirinkti pliuso ženklą.) Iš čia x yra kaip racionali funkcija nuo t:
iš čia arba x=0 arba Mums reikia išreikšti x per t, todėl x=0 netinka; sprendžiame toliau:
Turime


III. kur yra bet kuri realioji trinario šaknis. Taikoma tik kai yra du lygties sprendiniai.

Tegu ir - realiosios šaknys trinario Tada
Kadangi tai
Iš čia randame x kaip racionalią funkciją nuo t:
Trečias Oilerio keitinys tinka kai a>0 ir kai a<0. Butina tik, kad turėtų daugianaris dvi realiasias šaknis.


Pavyzdžiai[keisti]

Pirmojo Oilerio keitinio pavyzdžiai

Pakėlę šios lygybės abi puses kvadratu, gauname:


  • Taikome I Oilerio keitinį

 ;  ;  ;


  • Apskaičiuoti
Sprendimas. Kadangi trinaris turi kompleksines šaknis, padarysime keitinį Pakėlę abi lygybės puses kvadratu, gauname

arba ; iš čia ,

Tada

Toliau, turime

Padauginę abi dalis lygybės su gauname
Prilyginę koeficientus prie vienodų laipsmių t, gauname sistemą lygčių pirmojo laipsnio atžvilgiu A, B, D:
{4A+2B=2,
{4A+B+D=2,
{A=2,
Iš čia A=2, B=-3, D=-3. Todėl,
ir galutinai


Antrojo Oilerio keitinio pavyzdžiai

Pakelę abi puses kvadratu, gauname Imdami apiejų lygybės pusių diferencialus, randame:

Sprendimas normaliai. Čia a=-9, b=-6, c=1. Tada


  • Apskaičiuoti
Sprendimas. Čia trinaris turi kompleksines šaknis ir a<0, c>0, pasinaudojame keitiniu Pakėlę abi lygties puses kvadratu, gauname

, , , , , .

Tokiu budu,


  • Reikia apskaičiuoti integralą

Sprendimas. Taikome II Oilerio keitinį tada

Įstate gautas išraiškas į pradinį integralą, randame:


Trečiojo Oilerio keitinio pavyzdžiai
  • Pastebėję, kad pošaknio trinario šaknys yra 2 ir 3, taikome keitinį Pakėlę šios lygybės abi puses kvadratu ir suprastinę iš gauname:
;


  • kur todėl taikome III Oilerio keitinį. Lygties sprendiniai yra , ;


  • Reikia apskaičiuoti integralą

Sprendimas. Kadangi tai:

tada

,
Grįžtant prie pradinio integralo, gauname:

Diferencialinių binomų integravimas[keisti]

Integralas kur m, n, p - racionalieji skaičiai, vadinamas integralu su binominiu diferencialu. Šį integralą elementariosiomis funkcijomis įmanoma išreikšti tik trimis atvejais:

I. p - sveikasis skaičius. Jei tai pointegralinis binomas skleidžiamas pagal Niutono binomo formulę. Jei tai keičiame kur k - bendras trupmenų m ir n vardiklis. Pavyzdžiui, trupmenų ir bendras vardiklis yra 3 4 = 12.
II. - sveikasis skaičius. Keičiame kur - trupmenos p vardiklis.
III. - sveikasis skaičius. Keičiame kur - trupmenos p vardiklis.

Pavyzdžiai

kur - sveikasis skaičius. Turime I atvejį.

kur Turime II atvejį.

kur Turime III atvejį.

kur

kur

kur

  • Matome, kad tinka trečias atvejis, nes . Čia m=0, n=2, . Keičiame kur - trupmenos p vardiklis. Taigi , čia a=3, b=1; ; ; ; .
Iš interentinio integratoriaus:
Kur Kad galima būtų skaičiuoti pagal šią formulę t turi būti mažiau už 1 (t<1). Nes kitaip nesiskaičiuoja ln(1-t). Bet mūsų pavyzdyje, kad ir kokias x reikšmes nestatysi į vistiek t bus daugiau už 1.
Galima taip integruot:
toliau integruojama kaip racionali funkcija.
Abi lygties puses padauginame iš (t-1)(t+1). Tada
iš čia turime sistemą:
A+B=0,
A-B=-1.
Tada iš antros lygties A=B-1. Įstačius šia A reikšmę į pirmą lygtį, gauname
B-1+B=0,
2B=1,
B=1/2.
Tada A=-B=-1/2.
Tokiu budu gauname, kad
Integruodami gauname:
Kur
1. Jei įstatysime x=2, tai gausime,
=0.98664696104483410110205523811797.
Kai x=1, tai
=0.54930614433405484569762261846126.
Bet tokia funkcija integruojama lengviau kitaip (ne per diferencialinius binomus; integruojant keičiant kintamąjį) ir yra jinai integralų lentelėje
2. Tada, kai x=2, tai
=1.5359531053788889467996778565792.
O kai x=1, tai
=1.0986122886681096913952452369225.
Tada, kai x kinta nuo 1 iki 2, tai pirmu atveju integruojant gauname:
0.98664696104483410110205523811797 - 0.54930614433405484569762261846126 = 0.43734081671077925540443261965671.
Antru atveju, kai x kinta nuo 1 iki 2 integruojant gautume:
1.5359531053788889467996778565792 - 1.0986122886681096913952452369225 = 0.4373408167107792554044326196567.
Abiais būdais integruojant gavome tą patį atsakymą.
Toks Free Pascal kodas:
  var a:longint; c,d:real;
  begin
  for a:=1 to 100000000  do
  d:=d+0.00000002/sqrt(sqr(a*0.00000002)+3);
  for a:=1 to 100000000  do
  c:=c+0.00000001/sqrt(sqr(a*0.00000001)+3);
  writeln(d);
  writeln(c);
  writeln(d-c);
  readln;
  end.
Duoda rezultatus:
9.8664695905111544E-001
5.4930614394743249E-001
4.3734081510368294E-001
po 4 sekundžių su 4.16 GHz dažniu veikiančiu procesorium (per pirmus du paleidimus duoda šituos rezultatus po 18 sekundžių; bet jeigu iškart exe failą (diferencialiniaibinomai.exe) paleist [kurį sukuria visada Free Pascal programa] iš "C:\FPC\3.2.0\bin\i386-win32", tai rezultatai gaunami po 4 sekundžių ir taip yra su visais Free Pascal skaičiavimais, kad per exe failą greičiau skaičiuoja [iš pirmo karto]). Matome, kad rezultatai tokie patys kaip skaičiuojant/integruojant pirmu atveju.
Toks Free Pascal kodas:
  var a:longint; c,d:real;
  begin
  for a:=1 to 1000000000  do
  d:=d+0.000000002/sqrt(sqr(a*0.000000002)+3);
  writeln(d);
  readln;
  end.
duoda rezultatą "9.8664696084608883E-001" (tai reiškia ) po 20 sekundžių su 4.16 GHz dažniu veikiančiu procesoriumi (per pirmus 2 kartus duodą rezultatą po 34 sekundžių).
Kodas apskaičiuoja plotą, po funkciją apribotą šios funkcijos kreive, ašimi Ox, ašimi Oy ir ašiai Ox statmena tiese taške x=2.
Beje, integruojant antru budu, kai x kinta nuo 0 iki 2, gauname:
= 1.5359531053788889467996778565792 - 0.54930614433405484569762261846126 = 0.98664696104483410110205523811797.
Į anksčiau pirmu budu gautą integralą, įstatę gauname:
Tokiu budu gavome, kad
O bendru atveju gauname tokį, tikriausiai niekam nematytą, integralą:
Integruodami uždavinio sąlygos integralą nuo 0 iki 2, gauname:
=0.98664696104483410110205523811797.
Toks pat atsakymas, kaip ir integruojant anksčiau.
Dar galima gauti kitokia šio integralo išraišką. Štai taip:
Tada
Integruodami iš pirmo būdo ką tik gautą integralą nuo 0 iki x, turėsime:
Antru budu integruodami nuo 0 iki x, turime:
Gavome tokius pačius integralus ir įstačius vietoj x ir a bet kokias reikšmes, abiais būdais gausime tokias pat išraiškas ir atsakymus.


(II atvejis).
Keičiame kur - trupmenos p vardiklis. Tada pakeitimas yra


  • Apskaičiuosime integralą
Šiame pavyzdyje todėl (III atvejis).
Tada kur - trupmenos p vardiklis; Ir pasinaudojame keitiniu
Tada gauname


  • Apskaičiuosime integralą Šiuo atveju todėl (II atvejis). Pasinaudoję pakeitimais
gauname

Nuorodos[keisti]