background image

 

 

Józef Szymczak 

 

CAŁKI NIEOZNACZONE (notatki z wykładu) 

– określenie, podstawowe wzory i metody całkowania 

 

Funkcję  

)

(x

F

  nazywamy funkcją pierwotną funkcji  

)

(x

f

, jeżeli  

)

(

)

(

x

f

x

F

=

Jeżeli  

)

(x

f

  ma funkcję pierwotną  

)

(x

F

,  to  

)

(x

f

 ma nieskończenie wiele funkcji pierwotnych 

dających się opisać wyrażeniem  

C

)

(

+

x

F

, gdzie  C  jest dowolną stałą  (łatwo zauważyć, że wtedy 

też  

)

(

)

C

)

(

(

x

f

x

F

=

+

 

Definicja 1. 
Całką nieoznaczoną funkcji  

)

(x

f

 nazywamy zbiór wszystkich jej funkcji pierwotnych, co 

zapisujemy symbolem: 

+

=

C

x

F

dx

x

f

)

(

)

(

jest znakiem całki,  

)

(x

f

to funkcja podcałkowa,   

dx

x

f

)

(

  to wyrażenie podcałkowe,  

x

  oznacza zmienną całkowania. 

 
 
Niektóre własności całki nieoznaczonej: 

1

o

)

(

)

(

dx

x

f

 = 

)

(x

f

2

o

=

dx

x

f

a

)

(

dx

x

f

a

)

(

   (  jest pewną wartością stałą), 

3

o

±

dx

x

g

x

f

))

(

)

(

(

 = 

±

dx

x

g

dx

x

f

)

(

)

(

.

 

 
 

Podstawowe wzory dotyczące całek nieoznaczonych: 

1.  

+

=

,

C

x

dx

  

 

 

 

2.  

(

)

,

1

    

1

1

+

+

+

=

n

C

n

x

dx

n

n

x

 

3.

  

,

ln

1

C

x

dx

x

+

=

 

 

 

 

4.  

,

arctan

1

1

2

C

x

dx

x

+

=

+

 

5.  

+

=

,

cos

sin

C

x

xdx

 

 

 

6.  

+

=

,

sin

cos

C

x

xdx

 

7.  

,

tan

cos

1

2

C

x

dx

x

+

=

 

 

 

8.  

,

arcsin

1

1

2

C

x

dx

x

+

=

 

9.  

,

C

dx

x

x

e

e

+

=

 

 

 

 

10.  

(

)

,

1

,

0

   

ln

>

+

=

a

a

C

a

a

dx

a

x

x

 

11.  

+

=

,

C

chx

shxdx

   

 

 

12.  

+

=

,

C

shx

chxdx

 

 
Ć

wiczenie. Wyznaczyć na podstawie powyższych wzorów kilkanaście całek nieoznaczonych, w 

szczególności uwzględniając różne przypadki wzoru (2) w zależności od typu wykładnika potęgi. 

 

Zauważmy, że pochodna funkcji złożonej postaci 

))

(

ln(

x

g

 

jest równa 

)

(

)

(

x

g

x

g

, zatem wynika stąd 

prosty wniosek, że  

C

x

g

dx

x

g

x

g

+

=

)

(

)

(

)

(

ln

 

Ć

wiczenie. Wyznaczyć na podstawie powyższego wzoru kilka całek nieoznaczonych tego typu. 

 

background image

 

 

Całkowanie przez podstawianie 

Jeśli 

)

(x

f

 jest funkcją ciągłą w przedziale 

)

;

(

b

a

, a funkcja  

)

(t

x

ϕ

=

 ma ciągłą pochodną na 

przedziale 

β

α

<

<

t

  i  

b

t

a

<

<

)

(

ϕ

  dla  

β

α

<

<

t

,  to słuszny jest wzór 

=

dt

t

t

f

dx

x

f

)

(

))

(

(

)

(

ϕ

ϕ

 

Również słuszny jest wzór otrzymany z powyższego przez zamianę stron oraz zmiennych: 

=

dt

t

f

dx

x

x

f

)

(

)

(

))

(

(

ϕ

ϕ

 

 

Zastosowanie tych wzorów pokażemy na kilku przykładach. 

(1) Wyznaczyć całkę  

+

dx

x

5

2)

(3

.

 

Wykonując podstawienie  

t

x

=

+

2

3

  otrzymamy po obustronnym zróżniczkowaniu tej równości, że 

dt

dx

=

3

,  skąd  

dt

dx

3

1

=

.  

Możemy zatem zapisać: 

+

dx

x

5

2)

(3

 = 

dt

t

5

3

1

 = 

C

t

+

6

6

1

3

1

 = 

C

t

+

6

18

1

 = 

C

x

+

+

6

)

2

3

(

18

1

 

(2) Wyznaczyć całkę  

dx

a

x

+

2

2

1

.  

Zapiszemy tu ciąg równości, z opisem sposobu podstawienia, ujętego w nawiasy bezpośrednio za 
przekształcaną całką(najczęściej zapisujemy zamiast nawiasów faliste pionowe kreski): 

dx

a

x

+

2

2

1

 

=

=

adt

dx

at

x

 = 

adt

a

at

+

2

2

)

(

1

 = 

dx

t

a

a

+

1

1

2

2

 = 

C

t

a

+

arctan

1

 = 

C

a

x

a

+

arctan

1

 

(3) Metodą podstawiania wyznaczyć całkę  

dx

x

x

+

2

3

2

.  

dx

x

x

+

2

3

2

 

=

=

=

+

dt

xdx

dt

xdx

t

x

6

1

6

2

3

2

 = 

dt

t

1

6

1

 = 

dt

t

2

1

6

1

 = 

C

t

+

2

1

2

6

1

 = 

C

t

+

3

1

 = 

C

x

+

+

2

3

2

3

1

 

(4) Metodą podstawiania wyznaczyć całkę  

dx

x

3

sin

.  

dx

x

3

sin

 = 

dx

x

x

2

sin

sin

 = 

dx

x

x

)

cos

1

(

sin

2

 

=

=

=

dt

xdx

dt

xdx

t

x

sin

sin

cos

 = 

dt

t

)

1

(

2

 = 

dt

t

)

1

(

2

 = 

C

t

t

+

3

3

1

 = 

C

x

x

+

cos

cos

3

3

1

 

(5) 

+

dx

x

x

2

 

=

>

=

+

tdt

dx

t

t

x

2

0

  

,

2

2

dx

t

t

t

2

2

)

2

(

2

 = 2

dx

t

t

)

2

(

2

4

 = 

C

t

t

+

3

5

3

2

5

2

 = 

C

x

x

+

+

+

3

5

)

2

(

3

2

)

2

(

5

2

 

 

background image

 

 

(6) 

+

+

1

2

x

dx

 

=

=

>

=

+

tdt

dx

t

x

t

t

x

2

1

0

  

,

1

2

2

 =

=

=

=

+

+

+

+

dt

dt

dt

t

t

t

t

t

)

1

(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

 

C

C

x

x

t

t

+

+

+

+

+

=

+

2

1

ln

4

1

2

2

ln

4

2

.

 

 
(7) Patrząc na przypadek (1) łatwo można zauważyć, że 

jeżeli   

+

=

C

x

F

dx

x

f

)

(

)

(

,    to   

+

+

=

+

C

b

x

F

a

dx

b

ax

f

a

)

(

1

)

(

Wynika to z  podstawienia:  

t

b

ax

=

+

,  skąd   

dt

adx

=

,   czyli  

dt

a

dx

1

=

 

Zatem możemy m.in. zapisać, że 

,

1

C

a

dx

ax

ax

e

e

+

=

 

+

=

,

sin

1

cos

C

ax

a

axdx

 

+

+

=

+

,

)

cos(

1

)

sin(

C

b

ax

a

dx

b

ax

 

C

a

dx

b

ax

b

ax

+

+

+

=

ln

1

1

 
 

Całkowanie przez części 

Całkowaniem przez części nazywamy obliczanie całki wg formuły: 

=

dx

x

v

x

u

x

v

x

u

dx

x

v

x

u

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

 

lub w skróconym zapisie 

=

vdu

v

u

udv

 

gdzie 

)

(

  

i

  

)

(

x

v

x

u

 są funkcjami mającymi ciągłe pochodne na pewnym wspólnym przedziale. 

 

Przykłady. 

(8)

  Obliczyć całkę  

xdx

sin

Oznaczymy tutaj  

=

=

x

x

v

x

x

u

sin

)

(

)

(

.   Stąd mamy  

=

=

x

x

v

x

u

cos

)

(

1

)

(

Zatem   

C

dx

x

xdx

x

x

x

x

x

x

+

+

=

=

sin

cos

cos

)

cos

(

sin

(9)

  

xdx

ln

 = 

=

=

1

)

(

ln

)

(

x

v

x

x

u

=

=

x

x

v

x

u

)

(

x

)

(

1

 = 

C

x

dx

dx

x

x

x

x

x

x

x

x

+

=

=

ln

ln

ln

1

(10)  

arctgxdx  = 

=

=

dx

dv

arctgx

u



=

+

=

x

v

x

du

dx

1

2

1

 = 

=

+

dx

x

x

xarctgx

1

2

 

C

dx

x

x

x

xarctgx

xarctgx

+

+

=

=

+

)

1

ln(

2

2

2

1

2

1

1

2

background image

 

 

(11)  

xdx

x

3

cos

  

=

=

xdx

dv

x

u

3

cos



=

=

x

v

dx

du

3

sin

3

1

 = 

xdx

x

x

3

sin

3

sin

3

1

3

1

 =  

C

x

x

x

+

+

3

cos

3

sin

9

1

3

1

 

(12)  

dx

e

x

x

3

2

  



=

=

dx

e

dv

x

u

x

3

2



=

=

x

e

v

xdx

du

3

3

1

2

 = 

dx

x

x

x

xe

e

3

3

2

3

2

3

1

  

=

=

dx

e

dv

x

u

x

3



=

=

x

e

v

dx

du

3

3

1

 = 

)

(

3

3

3

2

3

1

3

1

3

2

3

1

dx

x

x

x

x

x

e

e

e

 = 

C

x

x

x

x

x

e

e

e

+

+

3

3

3

2

27

2

9

2

3

1

 = 

C

x

x

x

e

+

+

3

2

)

(

9

2

3

2

3

1

(13)  

xdx

e

x

sin

  

=

=

xdx

dv

e

u

x

sin

=

=

x

v

dx

du

x

e

cos

 = 

+

xdx

x

x

x

e

e

cos

cos

 =  

=

=

xdx

dv

e

u

x

cos

=

=

x

v

dx

du

x

e

sin

 = 

+

xdx

x

x

x

x

x

e

e

e

sin

sin

cos

 

Ponieważ w powyższym ciągu równości otrzymaliśmy na końcu jako trzeci składnik całkę 

identyczną za całką wyjściową, to z odpowiedniego porównania otrzymamy, że 

xdx

e

x

sin

2

 = 

x

x

x

x

e

e

sin

cos

+

,  a więc ostatecznie 

xdx

e

x

sin

 = 

C

x

x

e

x

+

)

cos

(sin

2

1

 

Całki funkcji wymiernych 

Funkcja  wymierna  jest  to  funkcja  postaci 

)

(

)

(

)

(

x

Q

x

P

x

W

=

.  Nazywamy  ją 

właściwą,  jeżeli 

stopień wielomianu w liczniku jest mniejszy od stopnia wielomianu w mianowniku.  

Jeżeli  stopień  wielomianu  w  liczniku  jest  większy  lub  równy  stopniowi  wielomianu  w 

mianowniku,  to  mówimy,  że  funkcja  wymierna  jest  niewłaściwa.  Możemy  ją  przedstawić  w 
postaci  sumy  pewnego  wielomianu  i  funkcji  wymiernej  właściwej  (po  wykonaniu  dzielenia 
licznika przez mianownik). 

Funkcję wymierną właściwą postaci 

n

a

x

A

)

(

+

 

gdzie 

R

A

a

N

n

,

  

oraz

  

, nazywamy 

ułamkiem prostym pierwszego rodzaju

 

Funkcję wymierną właściwą postaci 

n

q

px

x

D

Bx

)

(

2

+

+

+

 

gdzie 

R

D

B

q

p

N

n

,

,

,

  

oraz

  

,  przy  czym 

0

4

2

<

=

q

p

,  nazywamy 

ułamkiem 

prostym drugiego rodzaju

 

Uwaga. Każda funkcja wymierna właściwa rzeczywista może być jednoznacznie przedstawiona w 

postaci sumy ułamków prostych. 

 
Przykłady.  

(14)  Rozłożyć na ułamki proste funkcję 

16

8

2

4

+

x

x

x

 (bez obliczania współczynników)

background image

 

 

Zauważmy, że funkcję tę możemy zapisać w postaci 

2

2

)

4

(

x

x

, a dalej 

2

2

)

2

(

)

2

(

+

x

x

x

Po  rozłożeniu  mianownika  na  czynniki,  zapiszemy  daną  funkcję  wymierną  w  postaci  sumy 

wszystkich  możliwych  ułamków  prostych,  ze  współczynnikami  nieoznaczonymi  w  licznikach,  które 
należy wyznaczyć z porównania stron zapisanej równoważności: 

2

2

2

2

)

2

(

2

)

2

(

2

)

2

(

)

2

(

+

+

+

+

+

+

x

D

x

C

x

B

x

A

x

x

x

 

(15)    Rozłożyć  na  ułamki  proste  funkcję 

1

2

3

+

+

x

x

.  Zauważmy,  że 

)

1

)(

1

(

1

2

3

+

+

=

+

x

x

x

x

,  a  więc 

przewidujemy następujący rozkład danej funkcji wymiernej na ułamki proste:

 

1

1

)

1

)(

1

(

2

2

2

+

+

+

+

+

+

+

x

x

C

Bx

x

A

x

x

x

x

Po wymnożeniu stronami tej równoważności mamy 

)

1

)(

(

)

1

(

2

2

+

+

+

+

+

x

C

Bx

x

x

A

x

 

czyli 

C

Bx

Cx

Bx

A

Ax

Ax

x

+

+

+

+

+

+

2

2

2

 

skąd po porównaniu współczynników z obu stron równoważności otrzymujemy układ równań 

=

+

=

+

+

=

+

2

1

0

C

A

C

B

A

B

A

,  i po podstawieniach otrzymamy, że  

3

5

,

3

1

,

3

1

=

=

=

C

B

A

Zatem możemy zapisać, że 

)

1

1

(

3

1

1

1

)

1

)(

1

(

2

2

2

2

5

1

3

5

3

1

3

1

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

Całkowanie ułamków prostych pierwszego rodzaju.

 

Całkę typu  

dx

n

a

x

A

+

)

(

,  gdzie 

N

n

n

  

i

  

1

 obliczamy stosując podstawienie 

t

a

x

=

+

Otrzymujemy wtedy 

(I)

 



>

=

=

=

+

+

+

1

gdy  

  

1

gdy  

  

ln

1

1

1

)

(

n

n

t

A

dt

dx

C

t

n

A

C

t

A

a

x

A

n

n

n

 = 



>

=

+

+

+

+

1

gdy  

  

1

gdy  

  

ln

1

)

)(

1

(

n

n

a

x

A

C

a

x

n

A

C

n

 

Np.  a) 

C

x

x

dx

+

+

+

=

4

ln

3

4

3

,        b) 

C

x

x

dx

+

+

+

=

3

4

)

5

(

3

2

)

5

(

2

 

Całkowanie ułamków prostych drugiego rodzaju.

 

Całkę typu  

dx

k

x

+

2

1

,  gdzie 

0

>

k

 obliczamy wg znanego już wzoru 

(II)

 

C

k

x

k

k

x

arctg

dx

+

+

=

1

1

2

Np.  

C

x

x

dx

arctg

+

+

=

5

5

1

5

2

1.

 

Przy  całkowaniu  ułamków  II  rodzaju  w  ogólnej  postaci  dla 

n=1,  przedstawiamy  je  jako 

kombinację  liniową  dwóch  ułamków  o  takim  samym  mianowniku:  pierwszy  z  nich  zawiera  w 
liczniku  pochodną  mianownika,  a  drugi  pewną  stałą.  Oba  te  ułamki  całkujemy  metodą 
podstawiania. 

background image

 

 

2.

 

Przypadek, gdy 

 

2

n

 można opisać wzorem rekurencyjnym: 

dx

dx

n

n

a

x

a

n

n

a

x

a

n

x

a

x

n

+

+

+

+

=

)

(

1

)

1

(

2

3

2

)

(

)

1

(

2

)

(

1

2

2

2

2

2

2

2

2

1

W szczególności 

dx

dx

n

n

x

n

n

x

n

x

x

n

+

+

+

+

=

)

1

(

1

2

2

3

2

)

1

)(

2

2

(

)

1

(

1

2

2

2

1

Przykłady całkowania funkcji wymiernych. 

(16)  Obliczyć 

+

6

2

x

x

dx

.  

Ponieważ   

)

3

)(

2

(

6

2

+

=

+

x

x

x

x

,  więc funkcję podcałkową musimy rozłożyć na ułamki 

proste: 

3

2

6

1

2

+

+

+

x

B

x

A

x

x

Mnożąc tę równoważność stronami przez mianownik 

6

2

+

x

x

, otrzymujemy 

)

2

(

)

3

(

1

+

+

x

B

x

A

Stąd  

B

A

x

B

A

2

3

)

(

1

+

+

 

co prowadzi do prostego układu równań:  

=

=

+

1

2

3

0

B

A

B

A

,  którego rozwiązaniem jest  

5

1

   

,

5

1

=

=

B

A

Możemy zatem napisać, że  

C

x

x

C

x

x

dx

x

dx

x

x

x

dx

+

+

+

+

+

+

=

=

=

3

2

ln

5

1

3

ln

5

1

2

ln

5

1

3

1

5

1

2

1

5

1

6

   

2

 

(17)  

C

x

x

dx

x

x

dx

+

+

+

+

+

=

=

2

1

)

2

(

4

4

2

2

.  

(18)  

+

+

+

+

=

 

4

)

1

(

5

2

2

2

x

dx

x

x

dx

=

=

+

dt

dx

t

x

1

C

t

arctg

+

2

2

1

 = 

C

x

arctg

+

+

2

1

2

1

.

 

(19)  

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

=

dx

x

x

dx

x

x

x

dx

x

x

x

dx

x

x

x

dx

x

x

x

9

4

6

2

1

9

4

4

2

2

1

9

4

6

4

2

2

1

9

4

2

2

2

1

9

4

1

2

2

2

2

2

 = 

+

+

+

dx

x

x

x

5

)

2

(

1

3

9

4

2

1

2

2

ln

 = 

C

x

x

x

arctg

+

+

+

5

2

5

3

9

4

2

1

2

ln

.

 

 

Całki funkcji trygonometrycznych 

Jeżeli  funkcja  podcałkowa  ma  postać 

)

cos

 

,

(sin

x

x

R

,  czyli  jest  zależna  od  funkcji 

  

sin x

lub 

x

cos

, to wówczas możemy zastosować uniwersalne podstawienie trygonometryczne: 

t

x

tg

=

2

 

Przekształcając tę równość otrzymujemy, że  

arctgt

x

2

=

, a stąd już mamy, że 

dt

t

dx

2

1

2

+

=

background image

 

 

Z odpowiednich wzorów trygonometrycznych możemy przy danym podstawieniu zapisać, że 

2

1

2

sin

t

t

x

+

=

2

2

1

1

cos

t

t

x

+

=

 

Po tych przekształceniach otrzymamy całkę z funkcji wymiernej. 
 

Przykład. 

(20)  

=

=

=

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

dt

t

t

dt

t

t

t

dt

x

x

dx

t

t

t

t

t

t

t

8

8

2

2

5

5

3

3

8

2

5

3

4

5

cos

3

sin

4

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

2

1

2

 

C

tg

C

t

dt

t

dt

t

t

x

+

+

=

+

+

+

+

+

=

=

=

2

1

2

1

)

2

(

1

4

4

1

2

2

2

 

W przypadku, gdy trygonometryczna funkcja podcałkowa jest parzysta względem 

x

sin  i 

x

cos , to 

wygodniej jest stosować podstawienie: 

t

tgx

=

;  wtedy 

2

t

dt

dx

+

=

2

2

2

1

sin

t

t

x

+

=

2

2

1

1

cos

t

x

+

=

.

 

W  przypadku,  gdy  trygonometryczna  funkcja  podcałkowa  jest  nieparzysta  względem 

x

sin ,  to 

stosujemy  podstawienie: 

t

x

=

cos

,  a  gdy  funkcja  podcałkowa  jest  nieparzysta  względem 

x

cos ,  to 

stosujemy podstawienie: 

t

x

=

sin

 
 
Zadanie. Korzystając z tablic całek nieoznaczonych wyznaczyć kilka całek z niewymiernymi 
funkcjami podcałkowymi: 

a) 

,

4

2

dx

x

            b) 

+

,

9

2

dx

x

             c) 

+

+

dx

x

x

5

2

1

2

.