שיעור 4

זהויות לפני אינטגרציה ואינטגרציה בחלקים

לפעמים אינטגרנד נראה קשה, אבל אחרי זהות קצרה הוא פשוט. במכפלה של פולינום ופונקציה טריגונומטרית משתמשים באינטגרציה בחלקים.

שלב 1: לפשט לפני שמבצעים אינטגרציה

לפני שמחפשים פונקציה קדומה, בודקים אם אפשר לחבר איברים, לפשט ארגומנט של לוגריתם או להוריד חזקה של פונקציה טריגונומטרית.

זהויות שימושיות

זווית כפולה: $\sin 2x=2\sin x\cos x$ ו־$\cos 2x=\cos^2x-\sin^2x$.

הורדת חזקה: $$\cos^2x=\frac{1+\cos 2x}{2},\qquad \sin^2x=\frac{1-\cos 2x}{2}$$

לוגריתם: $\ln a-\ln b=\ln\frac{a}{b}$, בתנאי ש־$a>0$ ו־$b>0$.

חזקה זוגית של $\sin$ או $\cos$ מורידים בזהות הורדת החזקה, שוב ושוב, עד שנשארים רק איברים מהצורה $\cos kx$. אחר כך משתמשים בכלל $\int\cos kx\,dx=\frac{\sin kx}{k}+C$.

דוגמה: ארגומנט הלוגריתם שווה ל־1

חשבו $\int\ln\left((\cos x+\sin x)^2-\sin 2x\right)dx-\int\tan x\,dx$.

מבחן 24.06.22 שאלה 10

דוגמה: חיבור שברים לזווית כפולה

חשבו $\int\left(\frac{1}{2x}+\frac{\sin x}{\cos x-\sin x}\right)dx+\int\frac{\sin x}{\cos x+\sin x}dx$.

מבחן 24.03.22 שאלה 10

דוגמה: הפרש לוגריתמים הוא קבוע

חשבו $\int\left(\frac{2x}{x+2}+\ln(x^2+x+3)\right)dx-\int\ln(2x^2+2x+6)\,dx$.

מבחן 27.01.22 שאלה 10

דוגמה: הורדת חזקה פעמיים

מצאו פונקציה $f(x)$ שהנגזרת שלה היא $\cos^4 x$.

מבחן 30.06.17 שאלה 6

דוגמה: זווית כפולה יוצרת נגזרת פנימית

חשבו $\int_0^{\pi/4}\sin(2x)\sin(4x)\,dx$.

מבחן 30.06.20 שאלה 16

בדיקה קצרה

חשבו $\int\sin^2x\,dx$.

תרגיל מקורי

שלב 2: אינטגרציה בחלקים

הנוסחה

אם $u$ ו־$v$ גזירות ונגזרותיהן רציפות, אז:

$$\int u\,v'\,dx=u\,v-\int u'\,v\,dx,\qquad \int_a^b u\,v'\,dx=\big[u\,v\big]_a^b-\int_a^b u'\,v\,dx$$

במכפלה של פולינום ופונקציה טריגונומטרית בוחרים את הפולינום בתור $u$. כך כל שימוש בנוסחה מוריד את מעלת הפולינום ב־1.

דוגמה: פולינום כפול קוסינוס

חשבו $\int_0^{\pi}x\cos x\,dx$.

בחינה לדוגמה 2024 שאלה 21

טעות נפוצה: סימן המינוס

בנוסחה יש מינוס לפני האינטגרל השני, וגם $\int\sin x\,dx=-\cos x$. כששוכחים אחד מהם מקבלים $0$ או $2$ במקום $-2$. כדי להימנע מכך, גוזרים את הפונקציה הקדומה שהתקבלה ובודקים שחוזרים לאינטגרנד.

בדיקה קצרה

חשבו $\int_0^{\pi}x\sin x\,dx$.

תרגיל מקורי