Неодређени интеграли – парцијална интеграција 3

Интеграли. Особине интеграла. Парцијална интеграција. Дефиниција. Сложенији примери.

Задаци


Текст задатака објашњених у видео лекцији:

Пр.6)   Решити ∫x3ln⁡xdx\int {{x^3}\ln xdx}

Пр.7)   ∫xarctgdx\int {xarctgdx}

Пр.8)   ∫arcsinx⁡dx1−x23\int {\frac{{\operatorname{arcsinx} dx}}{{{{\sqrt {1 - {x^2}} }^3}}}}


Пр.6)   ∫x3ln⁡xdx\int {{x^3}\ln xdx}

u=ln⁡xdu=1xdxdv=x3dxv=∫x3dx=x44+C\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&u = \ln x \\ &du = \frac{1}{x}dx\end{aligned} &{}&\begin{aligned}&dv = {x^3}dx \\ &v = \int {{x^3}dx = \frac{{{x^4}}}{4} + C}\end{aligned} \end{array}

=x44ln⁡x−∫x44⋅1xdx=x44ln⁡x−14∫x3dx=x44ln⁡x−14⋅x44+C== \frac{{{x^4}}}{4}\ln x - \int {\frac{{{x^4}}}{4}} \cdot \frac{1}{x}dx = \frac{{{x^4}}}{4}\ln x - \frac{1}{4}\int {{x^3}} dx = \frac{{{x^4}}}{4}\ln x - \frac{1}{4} \cdot \frac{{{x^4}}}{4} + C =

=x44(ln⁡x−14)+C= \frac{{{x^4}}}{4}\left( {\ln x - \frac{1}{4}} \right) + C

Пр.7)   ∫xarctgxdx=\int {xarctgxdx} =

u=arctgxdu=11+x2dxdv=xdxv=∫xdx=x22+C\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&u = arctgx \\ &du = \frac{1}{{1 + {x^2}}}dx\end{aligned} &{}&\begin{aligned}&dv = xdx \\ &v = \int {xdx = \frac{{{x^2}}}{2} + C}\end{aligned} \end{array}

=x22arctgx−∫x22⋅11+x2dx=x22arctgx−12∫1+x2−11+x2dx== \frac{{{x^2}}}{2}arctgx - \int {\frac{{{x^2}}}{2} \cdot \frac{1}{{1 + {x^2}}}dx} = \frac{{{x^2}}}{2}arctgx - \frac{1}{2}\int {\frac{{1 + {x^2} - 1}}{{1 + {x^2}}}dx = }

=x22arctgx−12(∫1+x21+x2dx−∫11+x2dx)== \frac{{{x^2}}}{2}arctgx - \frac{1}{2}\left( {\int {\frac{{1 + {x^2}}}{{1 + {x^2}}}dx - \int {\frac{1}{{1 + {x^2}}}dx} } } \right) =

=x22arctgx−12(x−arctgx)+C=12((x2+1)arctgx−x)+C= \frac{{{x^2}}}{2}arctgx - \frac{1}{2}\left( {x - arctgx} \right) + C = \frac{1}{2}\left( {\left( {{x^2} + 1} \right)arctgx - x} \right) + C

Пр.8)   ∫arcsinx⁡dx1−x23=∫arcsinx⁡dx(1−x2)1−x2=\int {\frac{{\operatorname{arcsinx} dx}}{{{{\sqrt {1 - {x^2}} }^3}}}} = \int {\frac{{\operatorname{arcsinx} dx}}{{\left( {1 - {x^2}} \right)\sqrt {1 - {x^2}} }}} =

arcsinx⁡=t11−x2dx=dt⇒x=sin⁡t1−x2=1−sin⁡2t=cos⁡2t\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&\operatorname{arcsinx} = t \\ &\frac{1}{{\sqrt {1 - {x^2}} }}dx = dt\end{aligned} & \Rightarrow &\begin{aligned}&x = \sin t \\ &1 - {x^2} = 1 - {\sin ^2}t = {\cos ^2}t\end{aligned} \end{array}

=∫tdtcos⁡2t== \int {\frac{{tdt}}{{{{\cos }^2}t}}} =

u=tdu=dtdv=dtcos⁡2tv=∫dtcos⁡2t=tgt+C\begin{array}{cccccccccccccccccccc} \begin{aligned}&u = t \\ &du = dt\end{aligned} &{}&\begin{aligned}&dv = \frac{{dt}}{{{{\cos }^2}t}} \\ &v = \int {\frac{{dt}}{{{{\cos }^2}t}} = tgt + C}\end{aligned} \end{array}

=t⋅tgt−∫tgtdt=t⋅tgt−∫sin⁡tcos⁡tdt== t \cdot tgt - \int {tgtdt = } t \cdot tgt - \int {\frac{{\sin t}}{{\cos t}}dt = }

cos⁡t=s\cos t = s

−sin⁡tdt=ds- \sin tdt = ds

sin⁡tdt=−ds\sin tdt = - ds

=t⋅tgt+∫dss=t⋅tgt+ln⁡∣s∣+C=t⋅tgt+ln⁡∣cos⁡t∣+C=t⋅tgt+ln⁡∣cos⁡t∣+C== t \cdot tgt + \int {\frac{{ds}}{s} = } t \cdot tgt + \ln \left| s \right| + C = t \cdot tgt + \ln \left| {\cos t} \right| + C = t \cdot tgt + \ln \left| {\cos t} \right| + C =

=arcsinx⁡⋅tg(arcsinx⁡)+ln⁡∣cos⁡(arcsinx⁡)∣+C= \operatorname{arcsinx} \cdot tg\left( {\operatorname{arcsinx} } \right) + \ln \left| {\cos \left( {\operatorname{arcsinx} } \right)} \right| + C

Кад је под интегралом производ степена xnx^n и функције ln⁡x\ln x или arctg⁡x\operatorname{arctg} x, за uu узмите логаритам, односно арктангенс, а dv=xn dxdv = x^n\,dx и v=xn+1n+1v = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}. Добија се ∫xnln⁡x dx=xn+1n+1(ln⁡x−1n+1)+C\int x^n\ln x\,dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}\left(\ln x - \frac{1}{n + 1}\right) + C за n≠−1n \ne -1. Код ∫xarctg⁡x dx\int x\operatorname{arctg} x\,dx после првог корака остаје x21+x2\frac{x^2}{1 + x^2}, што се пише као 1−11+x21 - \frac{1}{1 + x^2}. Код сложенијих интеграла, као ∫arcsin⁡x(1−x2)3 dx\int \frac{\arcsin x}{\sqrt{(1 - x^2)^3}}\,dx, прво уведите смену t=arcsin⁡xt = \arcsin x, па тек онда интегралите парцијално. Исто правило важи и за arcsin⁡x\arcsin x и ln⁡2x\ln^2 x: у uu иде функција која се лако изводи, а тешко интеграли.

Обрнут избор, u=xnu = x^n, не води циљу: за vv би требало интегралити ln⁡x\ln x, а нови интеграл био би тежи од почетног.

246810500010.00015.00020.0000q (хиљ.)T (дин.)T(q)
5 хиљ.
Укупни трошак
6024 дин.
Гранични трошак (нагиб)
1909 дин.
Цена по летку
1,2 дин.
Крива је укупни трошак T(q)=300q+100q2ln⁡q−50q2+1750T(q) = 300q + 100q^2\ln q - 50q^2 + 1750 динара, а нагиб тангенте гранични трошак 300+200qln⁡q300 + 200q\ln q. Пратите и цену по летку: најнижа је, око 1,06 динара, при тиражу од око 3200 летака.

Интеграли облика ∫xnln⁡x dx\int x^n\ln x\,dx јављају се у економији, кад се укупни трошак рачуна из граничног, и у техници, на пример код топлоте у изолацији цеви, где температура опада логаритамски са растојањем од осе цеви.

Трошак штампе летака

Штампарија у Крагујевцу штампа тираж од qq хиљада летака. Трошак сваке нове хиљаде летака (гранични трошак) расте са обимом посла и по процени власника износи T′(q)=300+200qln⁡qT'(q) = 300 + 200q\ln q динара, за 1≤q≤101 \le q \le 10. Штампање 1000 летака кошта 2000 динара. Колико кошта штампање 5000 летака?

Решење

  1. Укупни трошак је примитивна функција граничног: T(q)=300q+200∫qln⁡q dqT(q) = 300q + 200\int q\ln q\,dq, уз T(1)=2000T(1) = 2000.
  2. Парцијално: u=ln⁡qu = \ln q и dv=q dqdv = q\,dq, па је du=dqqdu = \frac{dq}{q} и v=q22v = \frac{q^2}{2}.
  3. ∫qln⁡q dq=q22ln⁡q−∫q22⋅dqq=q22ln⁡q−q24+C\int q\ln q\,dq = \frac{q^2}{2}\ln q - \int \frac{q^2}{2} \cdot \frac{dq}{q} = \frac{q^2}{2}\ln q - \frac{q^2}{4} + C.
  4. T(q)=300q+100q2ln⁡q−50q2+CT(q) = 300q + 100q^2\ln q - 50q^2 + C, а из T(1)=300−50+C=2000T(1) = 300 - 50 + C = 2000 следи C=1750C = 1750.
  5. За q=5q = 5: T(5)=1500+2500ln⁡5−1250+1750=2000+2500ln⁡5≈6024T(5) = 1500 + 2500\ln 5 - 1250 + 1750 = 2000 + 2500\ln 5 \approx 6024 динара.

Одговор: Штампање 5000 летака кошта око 6024 динара, око 1,20 динара по летку.

Задатак за вежбу

Израчунајте ∫x2ln⁡x dx\int x^2\ln x\,dx.

Прикажи решење

u=ln⁡xu = \ln x, dv=x2 dxdv = x^2\,dx, v=x33v = \frac{x^3}{3}: x33ln⁡x−∫x23 dx=x33ln⁡x−x39+C\frac{x^3}{3}\ln x - \int \frac{x^2}{3}\,dx = \frac{x^3}{3}\ln x - \frac{x^3}{9} + C.