AMKbook.Net Задачи должны иметь решение
Реклама

Задача №1631

Условие

Найти интеграл \(\int\frac{3x^3dx}{\sqrt{x^2+4x+5}}\).

Решение

Первый способ

Предварительно, чтобы не отвлекаться в дальнейшем решении, рассмотрим пару интегралов, которые будут использованы далее.

\[ \int\frac{z^3dz}{\sqrt{z^2+1}} =\frac{1}{2}\int\frac{z^2d\left(z^2\right)}{\sqrt{z^2+1}} =\left[t=z^2\right] =\frac{1}{2}\int\frac{tdt}{\sqrt{t+1}}=\\ =\frac{1}{2}\int\frac{t+1-1}{\sqrt{t+1}}dt =\frac{1}{2}\int\left((t+1)^{\frac{1}{2}}-(t+1)^{-\frac{1}{2}}\right)dt =\frac{\sqrt{\left(z^2+1\right)^3}}{3}-\sqrt{z^2+1}+C \]

Рассмотрим и такой интеграл:

\[ \int\sqrt{z^2+1}dz =\left[\begin{aligned} & u=\sqrt{z^2+1};\;du=\frac{zdz}{\sqrt{z^2+1}};\\ & dv=dz;\;v=z. \end{aligned}\right] =z\sqrt{z^2+1}-\int\frac{z^2dz}{\sqrt{z^2+1}}=\\ =z\sqrt{z^2+1}-\int\frac{z^2+1-1}{\sqrt{z^2+1}}dz =z\sqrt{z^2+1}-\int\left(\sqrt{z^2+1}-\frac{1}{\sqrt{z^2+1}}\right)dz=\\ =z\sqrt{z^2+1}-\int\sqrt{z^2+1}dz+\int\frac{dz}{\sqrt{z^2+1}}. \]
\[ \int\sqrt{z^2+1}dz =\frac{z}{2}\sqrt{z^2+1}+\frac{1}{2}\cdot\int\frac{dz}{\sqrt{z^2+1}} \]

Вычислять до конца данный интеграл нет необходимости. Возвращаясь к исходному интегралу, получим:

\[ \int\frac{3x^3dx}{\sqrt{x^2+4x+5}} =\int\frac{3x^3dx}{\sqrt{(x+2)^2+1}} =\left[\begin{aligned} & z=x+2;\\ & dz=dx. \end{aligned}\right] =\int\frac{3(z-2)^3dz}{\sqrt{z^2+1}}=\\ =\int\frac{3z^3dz}{\sqrt{z^2+1}}-\int\frac{18\left(z^2+1\right)-36z+6}{\sqrt{z^2+1}}dz=\\ =3\int\frac{z^3dz}{\sqrt{z^2+1}}-18\int\sqrt{z^2+1}dz+36\int\frac{zdz}{\sqrt{z^2+1}}-6\int\frac{dz}{\sqrt{z^2+1}}=\\ =\sqrt{\left(z^2+1\right)^3}-3\sqrt{z^2+1}-9z\sqrt{z^2+1}-15\int\frac{dz}{\sqrt{z^2+1}}+18=\\ =\int\left(z^2+1\right)^{-\frac{1}{2}}d\left(z^2+1\right)=\\ =\sqrt{z^2+1}\left(z^2-9z+34\right)-15\ln\left(z+\sqrt{z^2+1}\right)+C=\\ =\sqrt{x^2+4x+5}\cdot\left(x^2-5x+20\right)-15\ln\left(x+2+\sqrt{x^2+4x+5}\right)+C \]

Второй способ

Этот способ основан на формуле, обоснование которой можно найти в книге Фихтенгольца "Курс дифференциального и интегрального исчисления" (том №2, пункт №284):

\[ \int\frac{P_n(x)}{\sqrt{ax^2+bx+c}}dx =Q_{n-1}(x)\sqrt{ax^2+bx+c}+\lambda\int\frac{dx}{\sqrt{ax^2+bx+c}} \]

Здесь \(P_n(x)\) – многочлен n-го порядка, а \(Q_{n-1}(x)\) – многочлен n-1-го порядка. Для заданного интеграла данная формула примет такой вид:

\[ \int\frac{3x^3dx}{\sqrt{x^2+4x+5}} =\left(ax^2+bx+c\right)\sqrt{x^2+4x+5}+\lambda\int\frac{dx}{\sqrt{x^2+4x+5}} \]

Дифференцируя обе части этого равенства, получим:

\[ \frac{3x^3}{\sqrt{x^2+4x+5}} =(2ax+b)\sqrt{x^2+4x+5}+\left(ax^2+bx+c\right)\cdot\frac{x+2}{\sqrt{x^2+4x+5}}+\frac{\lambda}{\sqrt{x^2+4x+5}};\\ 3x^3=(2ax+b)\left(x^2+4x+5\right)+\left(ax^2+bx+c\right)\cdot(x+2)+\lambda;\\ 3x^3=3ax^3+(10a+2b)x^2+(10a+6b+c)x+5b+2c+\lambda. \]
\[ \left\{\begin{aligned} & 3a=3;\\ & 10a+2b=0;\\ & 10a+6b+c=0;\\ & 5b+2c+k=0. \end{aligned}\right. \]

Решая данную систему, получим \(a=1\), \(b=-5\), \(c=20\), \(\lambda=-15\). Подставляя найденные значения, будем иметь:

\[ \int\frac{3x^3dx}{\sqrt{x^2+4x+5}} =\left(x^2-5x+20\right)\sqrt{x^2+4x+5}-15\int\frac{dx}{\sqrt{x^2+4x+5}}=\\ =\sqrt{x^2+4x+5}\cdot\left(x^2-5x+20\right)-15\ln\left(x+2+\sqrt{x^2+4x+5}\right)+C \]
Ответ: \(\sqrt{x^2+4x+5}\cdot\left(x^2-5x+20\right)-15\ln\left(x+2+\sqrt{x^2+4x+5}\right)+C\)
Задачник №1Берман "Сборник задач по курсу математического анализа"
Глава №6Неопределённый интеграл. Интегральное исчисление
Параграф №3Основные классы интегрируемых функций
Задача №2167