В этой статье мы расскажем, что такое рекуррентные формулы и как использовать их при интегрировании. Мы не будем перечислять все возможные варианты, а лишь сформулируем общий принцип их получения.
Рекуррентные формулы выражают n n -ный член последовательности через предыдущие члены. Их можно вывести путем преобразования подынтегральной функции с помощью метода интегрирования по частям.
Допустим, мы вычисляем неопределенный интеграл с помощью рекуррентной формулы J n ( x ) = cos x ⋅ sin n − 1 ( x ) n + n − 1 n J n − 2 ( x ) J n ( x ) = cos x · sin n - 1 ( x ) n + n - 1 n J n - 2 ( x ) .
Расчет будет выглядеть следующим образом:
J 5 ( x ) = ∫ sin 5 x d x = − cos x ⋅ sin 4 x 5 + 4 5 J 3 ( x ) = = − cos x ⋅ sin 4 x 5 + 4 5 ∫ sin 3 x d x = = − cos x ⋅ sin 4 x 5 + 4 5 ( − cos x ⋅ sin 2 x 3 + 2 3 ∫ sin x d x ) = = − cos x ⋅ sin 4 x 5 − 4 cos x ⋅ sin 2 x 15 − 8 15 cos x + C J 5 ( x ) = ∫ sin 5 x d x = - cos x · sin 4 x 5 + 4 5 J 3 ( x ) = = - cos x · sin 4 x 5 + 4 5 ∫ sin 3 x d x = = - cos x · sin 4 x 5 + 4 5 - cos x · sin 2 x 3 + 2 3 ∫ sin x d x = = - cos x · sin 4 x 5 - 4 cos x · sin 2 x 15 - 8 15 cos x + C
Теперь рассмотрим, как именно была выведена формула J n ( x ) = ∫ sin n x d x = − cos x ⋅ sin n − 1 ( x ) n + n − 1 n J n − 2 ( x ) J n ( x ) = ∫ sin n x d x = - cos x · sin n - 1 ( x ) n + n - 1 n J n - 2 ( x ) . Вспомним основные тригонометрические формулы и запишем:
J n ( x ) = ∫ sin n x d x = ∫ sin n − 2 x ⋅ sin 2 x d x = ∫ sin n − 2 x ⋅ ( 1 − cos 2 x ) d x = = ∫ sin n − 2 x d x − ∫ sin n − 2 x ⋅ cos 2 x d x = J n − 2 ( x ) − ∫ sin n − 2 x ⋅ cos 2 x d x J n ( x ) = ∫ sin n x d x = ∫ sin n - 2 x · sin 2 x d x = ∫ sin n - 2 x · ( 1 - cos 2 x ) d x = = ∫ sin n - 2 x d x - ∫ sin n - 2 x · cos 2 x d x = J n - 2 ( x ) - ∫ sin n - 2 x · cos 2 x d x
Получившийся в итоге интеграл можно взять, используя метод интегрирования по частям. Берем в качестве функции u ( x ) cos x u ( x ) cos x , тогда d ( v ( x ) ) = sin n − 2 x ⋅ cos x d x d v x = sin n - 2 x · cos x d x .
d ( u ( x ) ) = − sin x d x , v ( x ) = ∫ sin n − 2 x ⋅ cos x d x = ∫ sin n − 2 x d ( sin x ) = sin n − 1 x n − 1 d u x = - sin x d x , v ( x ) = ∫ sin n - 2 x · cos x d x = ∫ sin n - 2 x d ( sin x ) = sin n - 1 x n - 1
Значит,
∫ sin n − 2 x ⋅ cos 2 x d x = u ( x ) v ( x ) − ∫ v ( x ) d ( u ( x ) ) = = sin n − 1 x ⋅ cos x n − 1 + 1 n − 1 ∫ sin n x d x = sin n − 1 x ⋅ cos x n − 1 + 1 n − 1 J n ( x ) ∫ sin n - 2 x · cos 2 x d x = u ( x ) v ( x ) - ∫ v ( x ) d ( u ( x ) ) = = sin n - 1 x · cos x n - 1 + 1 n - 1 ∫ sin n x d x = sin n - 1 x · cos x n - 1 + 1 n - 1 J n ( x )
Теперь вернемся к тому интегралу, что был у нас в начале:
J n ( x ) = ∫ sin n x d x = J n − 2 ( x ) − ∫ sin n − 2 x ⋅ cos 2 x d x = = J n − 2 ( x ) − ( sin n − 1 x ⋅ cos x n − 1 + 1 n − 1 J n ( x ) ) = = J n − 2 ( x ) − sin n − 1 x ⋅ cos x n − 1 − 1 n − 1 J n ( x ) J n ( x ) = ∫ sin n x d x = J n - 2 ( x ) - ∫ sin n - 2 x · cos 2 x d x = = J n - 2 ( x ) - sin n - 1 x · cos x n - 1 + 1 n - 1 J n ( x ) = = J n - 2 ( x ) - sin n - 1 x · cos x n - 1 - 1 n - 1 J n ( x )
Таким образом, мы получим следующее:
J n ( x ) = J n − 2 ( x ) − sin n − 1 x ⋅ cos x n − 1 − 1 n − 1 J n ( x ) ⇒ ⇒ ( 1 + 1 n − 1 ) J n ( x ) = J n − 2 ( x ) − sin n − 1 x ⋅ cos x n − 1 ⇒ J n ( x ) = − cos x ⋅ sin n − 1 ( x ) n + n − 1 n J n − 2 ( x ) J n ( x ) = J n - 2 ( x ) - sin n - 1 x · cos x n - 1 - 1 n - 1 J n ( x ) ⇒ ⇒ 1 + 1 n - 1 J n ( x ) = J n - 2 ( x ) - sin n - 1 x · cos x n - 1 ⇒ J n ( x ) = - cos x · sin n - 1 ( x ) n + n - 1 n J n - 2 ( x )
Это и есть то, что нам нужно было доказать.
Другие рекуррентные формулы могут быть выведены точно таким же образом.
Определение 1 Чтобы найти интеграл вида J n ( x ) = ∫ sin n x d x J n ( x ) = ∫ sin n x d x , нужно использовать формулу J n ( x ) = − cos x ⋅ sin n − 1 ( x ) n + n − 1 n J n − 2 ( x ) J n ( x ) = - cos x · sin n - 1 ( x ) n + n - 1 n J n - 2 ( x ) , где n n является натуральным числом. Если нам надо вычислить интеграл вида J n ( x ) = ∫ d x sin n ( x ) J n ( x ) = ∫ d x sin n ( x ) , то для этого нам пригодится формула J n ( x ) = cos x ( n − 1 ) ⋅ sin n − 1 x + n − 2 n − 1 J n − 2 ( x ) J n ( x ) = cos x ( n - 1 ) · sin n - 1 x + n - 2 n - 1 J n - 2 ( x ) . Для вычисления интеграла K n ( x ) = ∫ cos n ( x ) d x K n ( x ) = ∫ cos n ( x ) d x применяется рекуррентная формула K n ( x ) = sin x ⋅ cos n − 1 ( x ) n + n − 1 n K n − 2 ( x ) K n ( x ) = sin x · cos n - 1 ( x ) n + n - 1 n K n - 2 ( x ) . Чтобы найти интеграл вида K n ( x ) = sin x ⋅ cos n − 1 ( x ) n + n − 1 n K n − 2 ( x ) K n ( x ) = sin x · cos n - 1 ( x ) n + n - 1 n K n - 2 ( x ) , берем формулу K n ( x ) = sin x ( n − 1 ) ⋅ cos n − 1 x + n − 2 n − 1 K n − 2 ( x ) K n ( x ) = sin x ( n - 1 ) · cos n - 1 x + n - 2 n - 1 K n - 2 ( x ) .
Пример 1 Вычислите неопределенный интеграл ∫ cos − 3 x d x ∫ cos - 3 x d x .
Решение
Нам потребуется рекуррентная формула, указанная в пункте 4 4 . Значение n n при этом будет равно трем.
Из таблицы первообразных мы знаем, что ∫ cos − 1 x d x = ln ∣ ∣ 1 + sin x cos x ∣ ∣ + C 1 ∫ cos - 1 x d x = ln 1 + sin x cos x + C 1 , следовательно,
∫ cos − 3 x d x = sin x 2 cos 2 x + 1 2 ∫ cos − 1 x d x = = sin x 2 cos 2 x + 1 2 ln ∣ ∣ 1 + sin x cos x ∣ ∣ + C ∫ cos - 3 x d x = sin x 2 cos 2 x + 1 2 ∫ cos - 1 x d x = = sin x 2 cos 2 x + 1 2 ln 1 + sin x cos x + C
Добавим к нашему списку формул еще одну. Она пригодится в том случае, если нужно выполнить интегрирование простейших дробей четвертого типа.
J n = ∫ d x ( x 2 + p x + q ) n = = 2 x + p ( n − 1 ) ( 4 q − p 2 ) ( x 2 + p x + q ) n − 1 + 2 n − 3 n − 1 ⋅ 2 4 q − p 2 ⋅ J n − 1 J n = ∫ d x x 2 + p x + q n = = 2 x + p ( n - 1 ) ( 4 q - p 2 ) ( x 2 + p x + q ) n - 1 + 2 n - 3 n - 1 · 2 4 q - p 2 · J n - 1
Она выводится путем преобразования подынтегральной функции с дальнейшим интегрированием по частям.
∫ d x ( x 2 + p x + q ) n = ∫ d x ( ( x + p 2 ) 2 + 4 q − p 2 4 ) n = { z = x + p 2 } = = ∫ d z ( z 2 + 4 q − p 2 4 ) n = 4 4 q − p 2 ∫ ( z 2 + 4 q − p 2 4 − z 2 ) d z ( z 2 + 4 q − p 2 4 ) n = = 4 4 q − p 2 ∫ d z ( z 2 + 4 q − p 2 4 ) n − 1 − 4 4 q − p 2 ∫ z 2 d z ( z 2 + 4 q − p 2 4 ) n − 1 ∫ d x x 2 + p x + q n = ∫ d x x + p 2 2 + 4 q - p 2 4 n = z = x + p 2 = = ∫ d z z 2 + 4 q - p 2 4 n = 4 4 q - p 2 ∫ z 2 + 4 q - p 2 4 - z 2 d z z 2 + 4 q - p 2 4 n = = 4 4 q - p 2 ∫ d z z 2 + 4 q - p 2 4 n - 1 - 4 4 q - p 2 ∫ z 2 d z z 2 + 4 q - p 2 4 n - 1
Получившийся в итоге интеграл мы берем по частям.
Ответы: d ( v ( z ) ) = z d z ( z 2 + 4 q − p 2 4 ) n − 1 d v ( z ) = z d z z 2 + 4 q - p 2 4 n - 1
Пример 2 Найдите множество первообразных функции 1 ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 1 ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 .
Решение
Из условия мы знаем, что q = 8 , p = 3 q = 8 , p = 3 , а n = 3 n = 3 . Для вычисления берем рекуррентную формулу:
∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 = = 2 x + 3 ( 3 − 1 ) ( 4 ⋅ 8 − 3 2 ) ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 − 1 + 2 ⋅ 3 − 3 3 − 1 ⋅ 2 4 ⋅ 8 − 3 2 ⋅ ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 23 ⋅ ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 = = { п р и м е н я е м ф о р м у л у в н о в ь д л я n = 2 } = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + + 3 23 ⋅ ( 2 x + 3 ( 2 − 1 ) ( 4 ⋅ 8 − 3 2 ) ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 − 1 + 2 ⋅ 2 − 3 2 − 1 ⋅ 2 4 ⋅ 8 − 3 2 ⋅ ∫ d x x 2 + 3 x + 8 ) = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 ⋅ 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 6 529 ⋅ ∫ d x x 2 + 3 x + 8 = = { в ы д е л я е м п о л н ы й к в а д р а т в з н а м е н а т е л е } = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 ⋅ 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 6 529 ⋅ ∫ d x ( x + 3 2 ) 2 + 23 4 = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 ⋅ 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 6 529 ⋅ 2 √ 23 ⋅ a r c t g 2 x + 3 √ 23 + C = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 ⋅ 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 12 529 √ 23 ⋅ a r c t g 2 x + 3 √ 23 + C ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 = = 2 x + 3 ( 3 - 1 ) ( 4 · 8 - 3 2 ) x 2 + 3 x + 8 3 - 1 + 2 · 3 - 3 3 - 1 · 2 4 · 8 - 3 2 · ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 23 · ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 = = п р и м е н я е м ф о р м у л у в н о в ь д л я n = 2 = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + + 3 23 · 2 x + 3 ( 2 - 1 ) ( 4 · 8 - 3 2 ) x 2 + 3 x + 8 2 - 1 + 2 · 2 - 3 2 - 1 · 2 4 · 8 - 3 2 · ∫ d x x 2 + 3 x + 8 = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 · 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 6 529 · ∫ d x x 2 + 3 x + 8 = = в ы д е л я е м п о л н ы й к в а д р а т в з н а м е н а т е л е = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 · 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 6 529 · ∫ d x x + 3 2 2 + 23 4 = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 · 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 6 529 · 2 23 · a r c t g 2 x + 3 23 + C = = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 · 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 12 529 23 · a r c t g 2 x + 3 23 + C
Ответ: ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 ⋅ 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 12 529 √ 23 ⋅ a r c t g 2 x + 3 √ 23 + C ∫ d x ( x 2 + 3 x + 8 ) 3 = 2 x + 3 46 ( x 2 + 3 x + 8 ) 2 + 3 529 · 2 x + 3 x 2 + 3 x + 8 + 12 529 23 · a r c t g 2 x + 3 23 + C
Подводя итоги статьи, отметим, что применение рекуррентных формул делает интегрирование более быстрым и простым, однако в некоторых случаях можно обойтись без них, воспользовавшись основными методами интегрирования.