Консультация № 170768
24.07.2009, 20:12
0.00 руб.
0 1 1
Вычислить интеграл:
-[$8734$][$8747$]+[$8734$]1/[(x2+2)(x2+3)2].

Обсуждение

давно
Мастер-Эксперт
17387
18353
25.07.2009, 13:17
общий
это ответ
Здравствуйте, Alik4546.

Разложим подынтегральную дробь на простейшие:
1/[(x2+2)(x2+3)2] = A/(x2 + 2) + B/(x2 + 3) + C/(x2 + 3)2 =
= [A(x2 + 3)2 + B(x2 + 2)(x2 + 3) + C(x2 + 2)]/[(x2+2)(x2+3)2],
A(x2 + 3)2 + B(x2 + 2)(x2 + 3) + C(x2 + 2) = 1. (1)

Приравнивая в выражении (1) коэффициенты при свободных членах, получаем
9A + 6B + 2C = 1; (2)
приравнивая в выражении (1) коэффициенты при x4, получаем
A + B = 0; (3)
приравнивая в выражении (1) коэффициенты при x2, получаем
6A + 5B + C = 0. (4)

Решаем систему уравнений (2) – (4), переписав их следующим образом:
C + 5B + 6A = 0,
B + A = 0,
2C + 6B + 9A = 1.
Расширенная матрица системы имеет следующий вид:
||1 5 6 | 0||
||0 1 1 | 0||
||2 6 9 | 1||.
Применяя метод Гаусса, получим
||1 5 6 | 0||
||0 1 1 | 0|| ~
||2 6 9 | 1||

||1 5 6 | 0||
||0 1 1 | 0|| ~
||0 -4 -3 | 1||

||1 5 6 | 0||
||0 1 1 | 0|| ~
||0 0 1 | 1||.
Следовательно,
A = 1,
B + A = 0, B + 1 = 0, B = -1,
C + 5B + 6A = 0, C – 5 + 6 = 0, C = -1,
и подынтегральная дробь раскладывается на простейшие следующим образом:
1/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = 1/(x2 + 2) - 1/(x2 + 3) - 1/(x2 + 3)2.

Пользуясь таблицами интегралов (чтобы не брать «трудный» интеграл), предварительно находим
∫dx/(x2 + 3)2 = x/[6(x2 + 3)] + 1/6 ∙ ∫dx/(x2 + 3) = x/[6(x2 + 3)] + 1/6 ∙ 1/√3 ∙ arctg x/√3 =
= x/[6(x2 + 3)] + 1/(6√3) ∙ arctg x/√3 (произвольную постоянную интегрирования опускаем).

Находим первообразную подынтегральной функции:
F(x) = ∫dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = ∫dx/(x2 + 2) - ∫dx/(x2 + 3) - ∫dx/(x2 + 3)2 =
= 1/√2 ∙ arctg x/√2 - 1/√3 ∙ arctg x/√3 - x/[6(x2 + 3)] - 1/(6√3) ∙ arctg x/√3 =
= 1/√2 ∙ arctg x/√2 – 7/(6√3) ∙ arctg x/√3 – x/[6(x2 + 3)] (произвольные постоянные интегрирования опускаем).

Далее находим

0+∞ dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = 0+∞ dx/(x2 + 2) - 0+∞ dx/(x2 + 3) - 0+∞ dx/(x2 + 3)2 =
= lim b → +∞ [0b dx/(x2 + 2) - 0b dx/(x2 + 3) - 0b dx/(x2 + 3)2] =
= lim b → +∞ {1/√2 ∙ arctg x/√2 – 7/(6√3) ∙ arctg x/√3 – x/[6(x2 + 3)]}|0b =
= lim b → +∞ {1/√2 ∙ arctg b/√2 – 7/(6√3) ∙ arctg b/√3 – x/[6(b2 + 3)]} – 0 = π/(2√2) – 7π/(12√3)
(здесь при b → +∞ b/[6(b2 + 3)] = [∞/∞] = (по правилу Лопиталя) = 1/(12b) → 0);

-∞0 dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = -∞0 dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = -∞0 dx/(x2 + 2) - -∞0 dx/(x2 + 3) - -∞0 dx/(x2 + 3)2 =
= lim a → -∞ [a0 dx/(x2 + 2) - a0 dx/(x2 + 3) - a0 dx/(x2 + 3)2] =
= lim a → -∞ {1/√2 ∙ arctg x/√2 – 7/(6√3) ∙ arctg x/√3 – x/[6(x2 + 3)]}||a0 =
= 0 – lim a → -∞ {1/√2 ∙ arctg a/√2 – 7/(6√3) ∙ arctg a/√3 – a/[6(a2 + 3)]} = π/(2√2) – 7π/(12√3)
(здесь при a → -∞ a/[6(a2 + 3)] = [∞/∞] = (по правилу Лопиталя) = 1/(12a) → 0);

-∞+∞ dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = -∞0 dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] + 0+∞ dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = 2[π/(2√2) – 7π/(12√3)] =
= π/√2 – 7π/(6√3) = π(√2/2 – 7√3/18) = π/18 ∙ (9√2 - 7√3).

Найти несобственный интеграл можно по-другому.

Функция f(z) = 1/[(z2 + 2)(z2 + 3)2] является аналитической в верхней полуплоскости, за исключением полюсов i√2 (простой полюс), i√3 (полюс второго порядка). Кроме того,
при |z| → +∞ z2f(z) = z2/[(z2 +2)(z2 +3)2] → 0, то есть является конечной величиной.

Находим вычет функции f(z) относительно простого полюса i√2:
r i√2 f(z) = lim z → i√2 (z – i√2)/[(z2 + 2)(z2 + 3)2] = lim z → i√2 1/[(z + i√2)(z2 + 3)2] = 1/(2i√2).

Находим вычет функции f(z) относительно полюса второго порядка i√3:
r i√3 f(z) = lim z → i√3 d{(z – i√3)2/[(z2 + 2)(z2 + 3)2]}/dz =
= lim z → i√3 d{1/[(z2 + 2)(z + i√3)2]}/dz = 1/2 ∙ lim z → i√3 {-1/[(z2 + 2)2(z + i√3)4] ∙ d[(z2 + 2)(z + i√3)2]/dz} =
= -lim z → i√3 {1/[(z2 + 2)2(z + i√3)4] ∙ [2z(z + i√3)2 + 2(z2 + 2)(z + i√3)]} =
= -2 ∙ lim z → i√3 {z/[(z2 + 2)2(z + i√3)2] + 1/[(z2 + 2)(z + i√3)3]} = -2[i√3/(2i√3)2 – 1/(2i√3)3] =
= -2[i√3/(12i2) – 1/(24√3i3)] = i/(2√3) + i/(12√3).

Искомый несобственный интеграл равен
-∞+∞ dx/[(x2 + 2)(x2 + 3)2] = 2πi[1/(2i√2) + i/(2√3) + i/(12√3)] = π/√2 – π/√3 - π/(6√3) =
= π/√2 - 7π/(6√3) = π/18 ∙ (9√2 - 7√3).

В обоих случаях получаем одинаковый результат
[sub]-∞[/sub]∫[sup]+∞[/sup] dx/[(x[sup]2[/sup] + 2)(x[sup]2[/sup] + 3)[sup]2[/sup]] = π/18 ∙ (9√2 - 7√3) ≈ 0,1053.

С уважением.
5
Об авторе:
Facta loquuntur.
Форма ответа