background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

C

AŁKOWANIE PRZEZ PODSTAWIENIE 

(

CAŁKOWANIE PRZEZ ZAMIANĘ ZMIENNEJ

) 

W  niektórych  przypadkach  obliczenie  całki 

( )

f x dx

  może  się  uprościd,  gdy  wprowadzimy 

pomocniczą  zmienną,  tzn.  zastosujemy  podstawienie 

( )

x

t

  (lub 

( )).

t

x

  Stosując  formalny 

rachunek: 

( )

dx

t dt

 możemy napisad równośd 

 

( )

( ( )) ( ) ,

f x dx

f

t

t dt

 

(0.1) 

gdzie  po  obliczeniu  całki  występującej  po  prawej,  która  będzie  funkcją  zmiennej 

,

t

  podstawiamy 

zmienną 

x

 wyliczoną z zależności 

( ).

x

t

 

P

RZYKŁADY

 

1) Obliczyd przez podstawienie całkę 

2

.

x

xe

dx

 

W  tym  przypadku  zastosujemy  podstawienie 

2

.

t

x

  (Można  też  patrzed  na  tę  zamianę  jak  na 

podstawienie 

.

x

t

 Oba podejścia dają oczywiście ten sam rezultat koocowy.) Obliczamy 

 

2

1

1

(

)

2

.

2

2

dt

x

dx

xdx

dx

dt

dt

x

t

 

Mamy teraz 

 

2

2

1

1

1

(

)

.

2

2

2

2

x

t

t

t

x

dt

xe

dx

xe

e dt

e

C

e

C

x

  

 

 

2) Obliczyd całkę 

1

.

sin

dx

x

 

W  tym  przypadku  stosujemy  specjalne  podstawienie,  które  całkę  typu 

(sin , cos )

,

R

x

x dx

  gdzie 

1

2

( ,

)

R x x

  jest  funkcją  wymierną  (iloraz  dwóch  wielomianów),  sprowadzi  do  całkowania  funkcji 

wymiernej. Podstawienie to ma postad: 

tg .

t

x

  Do wykonania tego podstawienie  będą potrzebne 

pewne tożsamości trygonometryczne, które są wyprowadzone poniżej. Bazują one na następujących 
podstawowych zależnościach 

 

sin(

)

sin

cos

cos sin ,

cos(

)

cos

cos

sin

sin .

 

 

 

(0.2) 

W szczególności z powyższych wzorów otrzymujemy wyrażenie na 

tg(

)

 

 

 

sin(

)

sin

cos

cos sin

tg

tg

tg(

)

.

cos(

)

cos

cos

sin

sin

1 tg tg

 

 

 

 

 

(0.3) 

background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

W szczególności mamy 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2 1

2

2

cos

sin

cos

sin

cos 2

cos

sin

1

cos

sin

sin

1

1 tg

1 tg

cos

. Stąd: cos

.

sin

1 tg

1 tg

1

cos


 

Podobnie 

 

2

2

1
2

2

2

2 1

2

2

2sin

cos

2sin

cos

sin 2

2sin

cos

1

cos

sin

sin

2

2tg

2tg

cos

. Stąd: sin

.

sin

1 tg

1 tg

1

cos

 

(0.4) 

Ponadto przydatne będą tożsamości 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

1 cos

1

1

tg

1

cos

.

cos

cos

cos

1 tg

sin

sin

tg

tg

, (1 sin

)tg

sin

sin

.

cos

1 sin

1 tg

 

 

(0.5) 

Podstawienie 

1
2

tg

t

x

 daje 

 

2

2

1

1

2

2

2 1

2

2

2

1
2

1

1

1

,

cos

2

2 cos

2

2

2 cos

.

1 tg

1

x

dt

dx

dx

x

x

dt

dx

xdt

t

 

Ponadto z (0.4) mamy 

1
2

2

2

1
2

2tg

2

sin

,

1 tg

1

x

x

t

x

t

 zatem 

 

2

1
2

2

1

1

2

1

ln | |

ln | tg

|

.

sin

2

1

t

dx

dt

dt

t

C

x

C

x

t

t

t

 

 

3) Obliczyd całkę 

2

1

.

1

dx

x

 

W tym przypadku stosujemy podstawienie 

ctg .

x

t

 Mamy 

2

1

.

sin

dx

dt

t

 

 Ponadto 

background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

 

2

2

2

2

2

2

2

cos

sin

cos

1

1

1 ctg

1

.

sin

sin

sin

t

t

t

x

t

t

t

t

 

Podstawienie jest dla 

(0,

),

t

 więc w ostatniej równości nie musimy pisad 

| sin | .

t

 Mamy więc 

 

1
2

2

2

1

1

1

sin

ln | tg

|

.

sin

sin

1

dx

t

dt

dt

t

C

t

t

x

 

 

 

(0.6) 

Ostatnia  całka  jest  na  podstawie  punktu  2).  Musimy  jeszcze  wrócid  do  pierwotnej  zmiennej 

.

x

 

Formalnie z równości 

ctg

x

t

 mamy 

arcctg

t

x

 co daje następujące wyrażenie na całkę 

 

1
2

2

1

ln | tg arcctg |

,

1

dx

x

C

x

 

 

ale wyrażenie to można zapisad prościej. Mamy bowiem 

 

1
2

2

2

2

2

2

2

sin

sin

1

tg

cos

1

cos

sin

cos

cos

cos

1

sin

sin

1

1

.

ctg

1 ctg

1

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

x

x

 

Stąd 

2

1
2

1
2

1

ln | tg

| ln

ln |

1

| .

| tg

|

t

x

x

t

 Ostatecznie otrzymujemy 

 

2

2

1

ln |

1

|

.

1

dx

x

x

C

x

 

 

4) 

2

2

.

dx

x

a

 Obliczenie tej całki sprowadza się do znanej całki 

2

arctg

.

1

dx

x C

x

 Ta druga całka 

wynika oczywiście z pochodnej funkcji arcus tangens

2

1

(arctg )

.

1

x

x

 

 

Całkę  przepisujemy  tak 

2

2

2

2

2

2

2

1

( )

1

1

x

x

a

a

a

dx

dx

dx

x

a

a

  i  stosujemy  podstawienie 

/ .

t

x a

 

Mamy 

,

dx

adt

 więc 

 

2

2

2

2

2

1

1

1

1

arctg

arctg

.

1

1

dx

adt

dt

x

t

C

C

x

a

a

t

a t

a

a

a

 

 

 

C

AŁKOWANIE FUNKCJI WYMIERNYCH

 

background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

Funkcją  wymierna  nazywamy  funkcję  postaci 

( )

( )

,

( )

P x

f x

Q x

  gdzie 

( )

P x

  i 

( )

Q x

  są  wielomianami. 

Interesowad  nas  będą  tylko  funkcje  wymierne  rzeczywiste,  tak  więc 

x

  oraz  współczynniki 

wielomianów 

( )

P x

  i 

( )

Q x

  są  rzeczywiste.  Oczywiście  funkcja  wymierna  określona  jest  wszystkich 

x

 z wyjątkiem miejsc zerowych wielomianu 

( ).

Q x

 Przykłady funkcji wymiernych 

 

2

5

5

3

2

3

5

3

6

2

1

2

1

,

,

,

,

, 4

1.

1

2

1

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

 

Zauważmy, że funkcja wielomianowa jest szczególnym przypadkiem funkcji wymiernej. 

Obliczenie  całki 

( )

( )

P x

dx

Q x

  z  funkcji  wymiernej  jest  „w  zasadzie  możliwe”  pod  warunkiem,  że 

potrafimy  wyznaczyd  pierwiastki  wielomianu 

( ).

Q x

  Inaczej  mówiąc  całka  ta  wyraża  się  poprzez 

funkcje elementarne oraz pierwiastki równania 

( )

0.

Q x

 

Aby obliczyd całkę funkcji wymiernej, rozkładamy ją na tzw. ułamki proste, które można już całkowad 
w sposób elementarny. Ułamki proste są to wyrażenia wymierne następującej postaci 

 

2

2

,

gdzie

4

0 oraz

,

.

(

)

(

)

m

n

A

Bx C

b

c

n m

x

x

bx c

 

 

(0.7) 

Pierwszy typ ułamków prostych całkuje się bardzo prosto: 

 

1

(

)

,

dla

1,

1

(

)

ln |

|

,

dla

1.

m

m

A

x

C

m

A

dx

m

x

x

C

m

 

  

 

Na przykład 

4 1

4

3

5

5

5

(

2)

.

(

2)

4 1

3(

3)

dx

x

C

C

x

x

 

  

 

 

Całkowanie  ułamków  prostych  drugiego  typu  jest  bardziej  złożone.  Po  pierwsze  warunek 

0

 

 

oznacza,  że  wyrażenie 

2

x

bx c

  nie  ma  miejsc  zerowych  (pierwiastków)  i  może  byd  zapisane 

następująco 

 

2

2

,

2

4

b

x

bx c

x



 

 

(0.8) 

gdzie składnik

4



 jest dodatni. Mamy więc 

 

2

2

2

2

2

,

1 .

2

4

4

b

x

b

x

bx c

x







 

 

(0.9) 

background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

Stosując  teraz  proste,  liniowe  podstawienie 

2

2

b

x

t



  sprowadzamy  całkę 

2

(

)

n

Bx C

dx

x

bx c

  do 

prostszej postaci 

 

2

2

2

2

2

.

(

)

(

1)

1

4

n

n

n

n

b

x

Bx C

Bx C

Dt

E

dx

dx

dt

x

bx c

t





 

 

 

(0.10) 

Jak widad jedyną trudnością którą teraz mamy jest obliczanie całki postaci 

2

.

(

1)

n

Dt

E

dt

t

 Całka ta jest 

sumą dwóch całek, przy czym jedną z nich oblicza się wprost 

 

2

2

2

2

1

2

1

(

1)

(

1)

(

1)

1

1

.

2(

1) (

1)

(

1)

n

n

n

n

n

Dt

E

t

dt

D

dt

E

dt

t

t

t

t

D

E

dt

n

t

t

 

 

Ostatnią  całkę  można  –  całkując  przez  części  –  sprowadzid  do  pewnej  następującej  zależności 
rekurencyjnej 

 

2

2

2

2

2

2

1

2

1

1

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

1

1

1

(

1)

(

1)

(

1)

(

1)

(

1)

1

1

2(

1)(

1)

2(

1)(

1)

2(

1)(

1)

1

1

2(

1)(

1)

2(

1) (

1)

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

t

t

t

I

dt

dt

dt

dt

t

dt

t

t

t

t

t

t

I

t

dt

I

t

dt

n

t

n

t

n

t

t

I

dt

I

n

t

n

t

 

 

 

 

 

1

1

2

1

1

2

1

1

2(

1)(

1)

2(

1)

2

3

.

2(

1)(

1)

2(

1)

n

n

n

n

t

I

n

t

n

t

n

I

n

t

n

 

 

 

 

 

Ponadto mamy 

1

2

1

arctg

.

1

I

dt

t

C

t

 

Podsumowując mamy 

 

1

2

1

2

3

,

dla

1,

2(

1)(

1)

2(

1)

arctg

,

dla

1.

n

n

n

t

n

I

n

n

t

n

I

t

C

n



 

 

 

(0.11) 

P

RZYKŁADY

 

background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

1) 

2

2

.

(

1)

dx

x

  Możemy  tę  całkę  obliczyd  tak  jak  się  wyprowadza  zależnośd  (0.11)  lub  po  prostu 

skorzystad z tych wzorów. 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

(

1)

(

1)

(

1)

1

(

1)

1

1

1

1

1

1

arctg

arctg

2

1

2

1

2

1

1

1

1

1

1

=arctg

arctg

arctg

2

1

2

1

2

1

2

1

1

arctg .

2

1

2

dx

x

x

dx

x

dx

dx

x

dx

x

x

x

x

x

x

x

dx

x

x

x

dx

x

x

x

x

x

x

dx

x

x

x

x

x

x

x

x

 

2) 

3

.

1

dx

x

 

Dokonujemy rozkładu mianownika na czynniki nierozkładalne 

 

3

2

1 (

1)(

1),

x

x

x

x

 

 

 

a następnie szukamy rozkładu funkcji wymiernej 

3

1

1

x

 na ułamki proste postaci (0.7): 

 

3

2

2

1

1

.

1

(

1)(

1)

1

1

A

Bx C

x

x

x

x

x

x

x

 

 

 

Stąd mamy 

 

2

2

3

2

3

1

(

1) (

)(

1)

(

)

(

)

(

)

,

1

(

1)(

1)

1

A x

x

Bx C x

A B x

A B C x

A C

x

x

x

x

x

  

   

 

 

co po porównaniu współczynników wielomianów z licznika daje 

 

0,

0,

1.

A

B

A B C

A C

 

   

  

 

Rozwiązaniem tego układu jest 

1

1

2

,

,

,

3

3

3

A

B

C

 

 zatem 

 

1

1

2

3

3

3

3

2

2

1

1 1

1

2

,

1

1

1

3

1

3

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

 

 

skąd 

3

2

1

1

2

1

1

ln |

1|

.

1

3

1 3

1

3

3

x

dx

dx

dx

x

I

x

x

x

x

 

 

 

 Dalej 

background image

Metody matematyczne w technologii materiałów 

Krzysztof Szyszkiewicz 

 

 

 

1

1

2

2

3

3

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

1

1

1

2

4

2

4

2

4

1

1

2

2

2

1

(

)

(

)

(

)

4

8

.

3

3

x

x

x

x

x

dx

x

dx

I

dx

dx

dx

x

x

x

x

x

dx

 

 

 

 

 

 

Teraz stosujemy podstawienie 

1
2

3

2

,

x

t

 więc 

3

2

3

2

.

,

dx

dt

dx

dt

 Zatem 

 

2

2

2

2

2

2

2

3

3

1

3

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

1

4

8

4 3

4

3

4 3

3

3

3 4

3

4

3

3

4 3

1

ln(

1)

3arctg .

3

3

2

t

dt

t

dt

dt

I

dt

dt

t

t

t

t

t

t

dt

dt

t

t

t

t

 

  

 

 

 

 

 

 

Wracając do „starej” zmiennej 

x

 otrzymujemy 

 

 

1

1

2

2

3

3

2

2

2

2

2

1

4

4

3

3

3

1

1

ln(

1)

3arctg

ln(

2)

3arctg

.

2

2

x

x

x

I

x

x

C

 

 

 

 

Ostatecznie mamy 

 

2

2

1

4

4

3

3

3

3

1

1

3

ln |

1|

ln(

2)

arctg

.

1

3

6

3

x

dx

x

x

x

C

x

 

 

 

Z

ADANIA

 

A) Obliczyd całki nieoznaczone 

1)

7

.

x

e

dx

 

3)

2

sin

.

xdx

 

5)

2

.

2

2

dx

x

x

 

7)

.

1 sin

dx

x

 

2)

.

ax

xe dx

 

4)

3

1 5

.

xdx

 

6)

2

.

3 5

dx

x

 

8)

.

x

x

dx

e

e

B) Obliczyd podane całki z funkcji wymiernych. 

2

3

1)

.

2)

.

2

3

2

1

x

dx

x

x

x

 

3

4

2

1

3)

.

4)

.

4

2

x

dx

x

x

x

x