Рационал функция
-
х
айнымалысы мен тұрақты шамаларға саны шекті арифметикалық амалдарды (
қосу, азайту, көбейту, бөлу)
қолданғаннан пайда болған функция. Рационал функцияның жалпы түрі мынадай:
мұндағы
a0, a1, an, b0, b1, bm
(
a0-0, b0-0
) - тұрақтылар, ал n мен m - оң бүтін сандар. Рационал функция бөлшектің бөлімі нөлге айналмайтын нүктелердің бәрінде анықталған.
m=0
болған жағдайда
R(x)
функциясы бүтін Рационал функция немесе көпмүше деп аталады. Ал кез келген Рационал функция көпмүшеліктердің қатынасы ретінде де қарастырылады. Рационал функцияны дифференциалдау мен интегралдау амалдары оңай орындалады, Рационал функцияның туындысы да Рационал функция болады. Рационал функцияның интегралы әр уақытта элементар функциялар арқылы өрнектеледі. Рационал функция - алгебр. функцияның дербес жағдайы. Бірнеше айнымалылардың Рационал функциясы алымы мен бөлімі бірнеше айнымалылардың көпмүшелігі болатын бөлшек ретінде анықталады.
Зерттеудің өзектілігі:
курстық жұмыстың мазмұнының ғылыми құндылығын арттыру және оның негізінде пәнге деген қызығушылығын арттырып, өз бетінше іздену. Білім, білік, дағды алуын қамтамасыз етуге, жеке шығармашылық қабілеті дамуы үшін жағдай туғызу.
Мақсаты:
Рационал функцияларды интегралдау әдістерін талдау.
Міндеті:
- Рационал функцияларды интегралдаудың теориялық бөлімін қарастыру.
Зерттеу әдістері:
Талдау нәтижесінде алынған мәліметтерді бақылап, тақырып бойынша әдебиеттерді зерттеу
Құрылымы:
курстық жұмыс кіріспеден, негізгі бөлімнен, практикалық бөлім, қорытынды және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1. Рационал функцияларды интегралдау
1. 1Қарапайым бөлшектерді интегралдау
- рационал функцияны қарайық, мұнда
және
- көпмүшелер. Айталық,
көпмүшенің дәреже көрсеткіші
- көпмүшенің дәреже көрсеткішінен артық, былайша, бөлшек - дұрыс бөлшек. Егер
- көпмүшенің дәрежесі,
көпмүшенің дәрежесінен артық болса, онда көпмүшені көпмүшеге бөлеміз және сонда бөлінді
бүтін бөлікке және дұрыс бөлшекке жіктеледі.
Енді осы рационал функцияның интегралын қарайық:
Әрбір
көпмүшені бірінші және екінші дәрежелі көбейткіштердің көбейтіндісіне жіктеп жазуға болады, яғни
, 18
Мұнда дәреже көрсеткіштері k, l, m, n - оң бүтін сандар, олардың қосындысы
көпмүшенің бас мүшесінің дәреже көрсеткішіне тең.
Бұл теорема жоғарғы алгебра пәнінен белгілі. Егер 18 теңдік орындалса, онда
19
Мұнда А
1,
А
2
, … А
k
B
1
, B
2
, … B
l
p
1
, p
2
, … p
m
, q
1
, r
1
, s
1
… q
m
, r
k
, s
n
, - белгісіз, табуға жататын коэфиценттер.
Белгісіз коэфиценттерді табу үшін 19 теңбе - теңдіктің екі жағын ортақ бөлімнен босатып жібереміз де, екі жағында тұрған көпмүшелердегі бірдей дәрежелі
-тердің коэфиценттерін бір-бірімен салыстырып, коэфиценттер бойынша теңдеулер системасын құрамыз. Осы теңдеулер системасын табылған коэфиценттердің мәндерін 19 теңдікке апарып қойып, ол теңдіктің екі жағын интегралдаймыз.
19 теңдіктің оң жағында тұрған функцияларды қалай интегралдауды білеміз.
Енді осы кейінгі теңбе - теңдік екі жағында тұрған дәрежелерді бірдей
тердің коэфиценттерін салыстырып табамыз:
А+С=0
A
+B
C
- D
+B+D=0
A+B
C - D
=
0
B+D=1
Осы теңдеулер системасын шешіп табамыз:
А= -
B=
C=
D=
Бұдан кейін
+
,
(20)
(20) теңдіктің оң жағында тұрған интегралдарды табу жолы жоғарыда көрсетілді.
Міне, енді сол жолды әрқайсысына жеке-жеке қолданыңыз:
Енді осы теңдіктің оң жағын 20 теңдіктің оң жағындағы бірінші интегралдың орнына апарып қояйық. Сонда
=
arctg
(21)
Енді 21 теңдіктің оң жағындағы интегралды жеке алайық :
Осы теңдіктің оң жағына 21 теңдіктің оң жағында тұрған интегралдың орнына апарып қойып табамыз:
Бұл парграфтың қорытындысында айтып кететін мәселе мынау: рационал бөлшектерді жабайы бөлшектер қосындысына жіктеп рационал функциялардың интегралдарын табуды іс жүзінде асыруға болады, бірақ бұл мәселе жоғары дәрежелі алгебралық теңдеулерді шешумен байланысты, өйткені 18 формуланы білу үшін, мына
теңдеудің түбірлерін табу керек. Міне, жоғарыдағы баяндалған тәсілдің негізгі кемшілігі осында. Мысалы
dx интегралды бұл жолмен шығара алмаймыз.
Егер
элементар функция болса, оның интегралы да элементар функция бола ала ма ? -деген сұрақ туады.
Рационал функцияның интегралы болып табылады. Бұдан басқа элементар функциялардың интегралдары элементар функциялар болуы да, болмауыда мүмкін.
Мәселен, мына сияқты интеграл:
т. т.
Элементар функциялар арқылы өрнектелмейтіні әлдеқашан зерттелген. Бұл интегралды «алынбайтын» интегралдар деп атайды. Бірақ тырнақшаның ішіне алынған терминді жаңағы келтірілген интегралдар мүлдем жоқ деген мағынада түсінбеу керек. Бұл интегралдардың бар болатындыңын және олардың мәндері тиянақты функциялар болатынын келесі тараулардан көрерсіздер.
1. 2. Рационалды функцияларды Остроградский әдісі бойынша интегралдау
Рационалды функцияларды интегралдау проблемасының ең маңызды мәселелерінің бірін шешкен орыс халқының атақты математигі Остроградский.
Рационал функциядан алынған интегралдың рационал бөлігін,
көпмүшенің түбірлерін білмей-ақ элементар алгебралық амалдардың көмегімен - ақ табуды Остоградский тұңғыш рет көрсетті.
Остоградскийдің бұл әдісін, рационал бөлшектен алынған интегралдың рационал бөлігін трасйендент бөлігінен айыру деп атайды.
Мына
дұрыс бөлшектің интегралын қарайық:
мұнда
- және
- көпмүшелер.
Остоградскийдің әдісі бойынша
, (22)
мұндағы
,
,
,
, - көпмүшелер,
- мына
пен оның туындысының ортақ ең үлкен бөлгіші,
мына
-ті
бөлгендегі шығатын бөлінді. Егер
көпмүшенің дәреже көрсеткіші
p
болса, онда
- дәреже көрсеткіші
p -1 -
ден аспауы керек.
Шынында, егер
a, b, …
көпмүшенің еселігі, k, l, … … түбірлері болса, онда (19) теңдік орындалады. Осы (19) теңдіктің екі жағын dx -ке көбейтіп интегралдасақ, онда
Осы кейінгі теңдіктің оң жағында тұрған интегралдан шығатын нәтижелер трансценденттік функциялар, атап айтқанда, логарифм мен арктангенстер.
Интегралдың сыртында тұрған бөлшектерді қосып, мына түрге келтіреміз:
. Интеграл таңбасы ішінде тұрған бөлшектерді қосып, олардың мына түрде
келтіруге болады.
Сөйтіп,
Бір мысал келтірейік:
Мұнда
Демек,
формула бойынша
мұнда A, B, C,
- табуға жататын, әзірше белгісіз коэффиценттер. Оларды табу үшін кейінгі теңдіктің екі жағынан туынды алып, келесі теңбе-теңдікті құрамыз:
+
.
Осы теңбе-теңдіктің екі жағындағы бірдей дәрежелі x-тің коэффиценттерін салыстырып табамыз:
Ендеше
(23)
Енді осы (23) теңдіктің оң жағындағы интегралды жеке алайық:
,
бұл арадан
мұнда
- әзірше белгісіз коэффиценттер. Оларды табудың екінші бір жолы былай: теңбе-теңдіктің екі жағындағы x-тің орнына кезкелген сандарды қойып, белгісіз коэффиценттер бойынша теңдеулер системасын құрамыз. Бірақ x- тің орнына интеграл таңбасы ішіндегі бөлшектің бөліміндегі көбейткішткердің түбірлерін қойған өте қолайлы болады.
Мәселен x-т ің орнына нольді қойсақ, онда
; x- тің орнына -1 -ді қойсақ, онда 4=-3β, бұл арадан
.
Айталық,
- мына
квадрат үш мүшенің түбірі болсын
, бұл арадан
.
Енді теңбе-теңдіктегі x-тің орнына
-ді қойсақ, онда
. Бұл теңбе-теңдіктің оң жағындағы және сол жағындағы
-тың орнына
-ді қоямыз. Сонда:
немесе
.
тағы да ауыстырамыз, сонда
Осы кейінгі теңбе-теңдіктің екі жағындағы бірдей дәрежелі
коэффиценттерін теңестіріп табамыз: