AMKbook.Net Задачи должны иметь решение
Реклама

Задача №1447

Условие

Найти интеграл \(\int\frac{dx}{x^2\sqrt{x^2+a^2}}\).

Решение

Случай \(a=0\) довольно тривиален и разбирается быстро. Для \(x\neq{0}\) получим:

\[ \frac{1}{x^2\sqrt{x^2+a^2}} =\frac{1}{x^2\sqrt{x^2}} =\frac{1}{x^2\cdot|x|} =\frac{1}{x^2\cdot\sgn{x}\cdot{x}} =\frac{1}{\sgn{x}\cdot{x^3}} \]

Если \(x\lt{0}\), то:

\[ \int\frac{dx}{\sgn{x}\cdot{x^3}} =-\int\frac{dx}{x^3} =\frac{1}{2x^2}+C \]

Если \(x\gt{0}\), то:

\[ \int\frac{dx}{\sgn{x}\cdot{x^3}} =\int\frac{dx}{x^3} =-\frac{1}{2x^2}+C \]

Если же \(a\neq{0}\), то в задачнике предлагаются три замены на выбор. Применим первую: \(x=\frac{|a|}{z}\). Отмечу, что в задачнике эта подстановка указана как \(x=\frac{a}{z}\), однако я предпочту записать в числителе именно \(|a|\). Дело в том, что в дальнейшем решении нам понадобится извлекать корень из \(a^2\). Так как знак параметра \(a\) в условии не определён, то придётся записать в общем виде \(\sqrt{a^2}=|a|\). Если мы укажем подстановку в виде \(x=\frac{|a|}{z}\), то выражение \(|a|\) благополучно сократится.

Кроме того, так как \(|a|\gt{0}\) (случай \(a=0\) мы уже рассмотрели), то знаки переменных \(x\) и \(z\) совпадают, т.е. \(\sgn{x}=\sgn{z}\).

Сделаю ещё одно лирическое отступление: указанную подстановку нужно рассматривать на интервалах \(z\in(-\infty;0)\) и \(z\in(0;+\infty)\). Однако две записи решения можно объединить в одну с помощью функции знака \(\sgn{z}\). В конце решения будет учтено равенство \(\frac{\sgn{x}}{|x|}=\frac{1}{x}\).

\[ \int\frac{dx}{x^2\sqrt{x^2+a^2}} =\left|\begin{aligned}& x=\frac{|a|}{z};\\& dx=-\frac{|a|dz}{z^2}.\end{aligned}\right| =-\int\frac{|a|dz}{z^2\cdot\frac{a^2}{z^2}\cdot\sqrt{\frac{a^2}{z^2}+a^2}} =-\frac{1}{a^2}\int\frac{|z|dz}{\sqrt{z^2+1}}=\\ =-\frac{\sgn{z}}{a^2}\cdot\int\frac{zdz}{\sqrt{z^2+1}} =-\frac{\sgn{z}}{2a^2}\cdot\int\left(z^2+1\right)^{-\frac{1}{2}}d\left(z^2+1\right)=\\ =-\frac{\sgn{z}}{2a^2}\cdot\frac{\left(z^2+1\right)^{\frac{1}{2}}}{\frac{1}{2}}+C =-\frac{\sgn{z}}{a^2}\cdot\sqrt{1+z^2}+C =-\frac{\sgn{x}}{a^2\cdot|x|}\cdot\sqrt{1+x^2}+C =-\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{a^2x}+C \]
Ответ: \(\int\frac{dx}{x^2\sqrt{x^2+a^2}}=-\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{a^2x}+C\)
Задачник №1Берман "Сборник задач по курсу математического анализа"
Глава №6Неопределённый интеграл. Интегральное исчисление
Параграф №2Основные методы интегрирования
Задача №1890