Раздел III. Неопределённый интеграл — § 5. Интегрирование различных трансцендентных функций
Демидович — задача 2088
Б. П. Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу». Условие, подробное решение и ответ.
Найти интегралы:
Задача 2088
∫ex+1ex−1dx.
Ответ:lnex+e2x−1−2arctg(ex+1ex−1)+C
Решение
В виду отсутствия ярко выраженной хорошей замены, обозначим все подынтегральное выражение за новую переменную:t=ex+1ex−1Теперь нужно выразить x через переменную t. Для начала возведем обе части в квадрат:t2=ex+1ex−1Далее выразим ex:ex=1−t21+t2Остается взять логарифм:x=ln(1−t21+t2)=ln(1+t2)−ln(1−t2)Найдем дифференциал данного выражения:dx=d(ln(1+t2)−ln(1−t2))=1+t22tdt−1−t22tdtПосле приведения к общему знаменателю, получим:dx=(1+t2)(1−t2)4tdtС учетом всего этого исходный интеграл перепишется в виде:∫t⋅(1+t2)(1−t2)4tdt=∫(1+t2)(1−t2)4t2dtПолучили интеграл от рациональной функции, как и планировали. Решим его методом неопределенных коэффициентов. Сначала разложим знаменатель на неприводимые множители:(1+t2)(1−t2)=(1+t2)(1−t)(1+t)Значит, подынтегральное выражение должно разложиться на следующую сумму:(1+t2)(1−t2)4t2=1−tA+1+tB+1+t2Ct+DПосле приведения правой части к общему знаменателю, должны иметь равенство числителей:4t2=A(1+t)(1+t2)+B(1−t)(1+t2)+(Ct+D)(1−t2)Приравнивая коэффициенты, получим:A=1B=1C=0D=−2Значит, имеем равенство:(1+t2)(1−t2)4t2=1−t1+1+t1−1+t22Заметим, что взять интеграл от каждого слагаемого в правой части уже не составляет никакого труда, ведь все они являются табличными:∫(1−t1+1+t1−1+t22)dt=−ln∣1−t∣+ln∣1+t∣−2arctgt+CОбъединим логарифмы в один:ln1−t1+t−2arctgt+CДля получения ответа остается только сделать обратную замену переменных:ln1−ex+1ex−11+ex+1ex−1−2arctg(ex+1ex−1)+CДля большей красоты, мы еще упростим наш логарифм. Домножим числитель и знаменатель дроби под логарифмом на ex+1:ex+1−ex−1ex+1+ex−1Избавимся от иррациональности в знаменателе, домножив на сопряженное:(ex+1)−(ex−1)(ex+1+ex−1)2=2ex+1+2e2x−1+ex−1=ex+e2x−1Теперь уже запишем итоговый ответ.