Решения ИДЗ с разбором методов

Метод → почему он подходит → полные выкладки. Удобно объяснять преподавателю.

ИДЗ 8.1 Задача 6.3
Интегралы

Найти неопределённый интеграл:

\[ \int \frac{3x \, dx}{4x^{2} + 1} \]
МЕТОД

Подстановка (замена переменной)

Почему этот метод? Интеграл имеет вид \(\displaystyle\int\frac{f'(x)}{f(x)}\,dx\). Производная знаменателя \((4x^2+1)' = 8x\) отличается от числителя \(3x\) лишь на константу. По формуле \(\displaystyle\int\frac{du}{u} = \ln|u|+C\) получаем логарифм.

Пошаговое решение

1

Анализ структуры подынтегрального выражения

Вычислим производную знаменателя и сравним с числителем:

\[ (4x^2 + 1)' = 8x \]

Числитель равен \(3x = \dfrac{3}{8} \cdot 8x\). Это означает, что числитель пропорционален производной знаменателя — идеальный случай для подстановки.

2

Введение замены переменной

Обозначим знаменатель как новую переменную \(u\):

\[ u = 4x^2 + 1 \]
3

Нахождение дифференциала

Дифференцируем обе части замены:

\[ du = 8x\,dx \quad\Longrightarrow\quad x\,dx = \frac{du}{8} \quad\Longrightarrow\quad 3x\,dx = \frac{3}{8}\,du \]
4

Подстановка в интеграл

Заменяем числитель и знаменатель через \(u\):

\[ \int \frac{3x\,dx}{4x^2+1} = \int \frac{\tfrac{3}{8}\,du}{u} = \frac{3}{8}\int \frac{du}{u} \]
5

Интегрирование по табличной формуле

Применяем табличный интеграл \(\displaystyle\int\frac{du}{u} = \ln|u|+C\):

\[ \frac{3}{8}\int\frac{du}{u} = \frac{3}{8}\ln|u| + C \]
6

Обратная замена

Возвращаемся от \(u\) к исходной переменной \(x\), подставляя \(u = 4x^2+1\):

Ответ: \[ \frac{3}{8}\ln|4x^{2}+1| + C \]

Модуль не обязателен, так как \(4x^2+1 > 0\) при всех \(x\), но принято писать для общности.

ИДЗ 8.2 Задача 2.3
Интегралы

Найти неопределённый интеграл:

\[ \int \frac{\sin 3x}{3 - \cos 3x} \, dx \]
МЕТОД

Подстановка (замена переменной)

Почему этот метод? Знаменатель — функция от \(\cos 3x\), а числитель \(\sin 3x\,dx\) — это (с точностью до константы) её дифференциал, так как \(d(3-\cos 3x) = 3\sin 3x\,dx\). Структура \(\frac{d(\text{знаменатель})}{\text{знаменатель}}\) → логарифм.

Пошаговое решение

1

Анализ структуры

Вычислим производную знаменателя:

\[ (3 - \cos 3x)' = 3\sin 3x \]

Числитель \(\sin 3x = \dfrac{1}{3} \cdot 3\sin 3x\) — пропорционален производной знаменателя. Применяем подстановку.

2

Введение замены

\[ u = 3 - \cos 3x \]
3

Нахождение дифференциала

\[ du = 3\sin 3x\,dx \quad\Longrightarrow\quad \sin 3x\,dx = \frac{du}{3} \]
4

Подстановка в интеграл

\[ \int \frac{\sin 3x\,dx}{3-\cos 3x} = \int \frac{du/3}{u} = \frac{1}{3}\int\frac{du}{u} \]
5

Интегрирование

\[ \frac{1}{3}\int\frac{du}{u} = \frac{1}{3}\ln|u| + C \]
6

Обратная замена \(u = 3 - \cos 3x\)

Ответ: \[ \frac{1}{3}\ln|3 - \cos 3x| + C \]
ИДЗ 8.3 Задача 5.3
Интегралы

Найти неопределённый интеграл:

\[ \int x \sin x \cos x \, dx \]
МЕТОД

Тригонометрическое тождество + интегрирование по частям

Почему этот метод? Прямое интегрирование произведения трёх функций затруднено. Сначала упрощаем через тождество \(\sin x\cos x = \frac{1}{2}\sin 2x\), получая \(\frac{1}{2}\int x\sin 2x\,dx\). Теперь подынтегральная функция — произведение многочлена \((x)\) и тригонометрической функции: классический случай для интегрирования по частям (\(\int u\,dv = uv - \int v\,du\)).

Пошаговое решение

1

Применение тригонометрического тождества двойного угла

\[ \sin x \cos x = \frac{1}{2}\sin 2x \]

Подставляем в интеграл:

\[ \int x\sin x\cos x\,dx = \int x \cdot \frac{1}{2}\sin 2x\,dx = \frac{1}{2}\int x\sin 2x\,dx \]
2

Выбор функций для интегрирования по частям

Правило: в роли \(u\) берём ту функцию, производная которой проще. В роли \(dv\) — ту, которую легко проинтегрировать.

\[ u = x \quad\Rightarrow\quad du = dx \]
\[ dv = \sin 2x\,dx \quad\Rightarrow\quad v = \int\sin 2x\,dx = -\frac{\cos 2x}{2} \]
3

Применение формулы интегрирования по частям \(\int u\,dv = uv - \int v\,du\)

\[ \int x\sin 2x\,dx = x\cdot\!\left(-\frac{\cos 2x}{2}\right) - \int\!\left(-\frac{\cos 2x}{2}\right)dx = -\frac{x\cos 2x}{2} + \frac{1}{2}\int\cos 2x\,dx \]
4

Вычисление оставшегося табличного интеграла

\[ \int\cos 2x\,dx = \frac{\sin 2x}{2} \]

Подставляем обратно:

\[ \int x\sin 2x\,dx = -\frac{x\cos 2x}{2} + \frac{1}{2}\cdot\frac{\sin 2x}{2} = -\frac{x\cos 2x}{2} + \frac{\sin 2x}{4} \]
5

Домножение на коэффициент \(\tfrac{1}{2}\) из шага 1

\[ \frac{1}{2}\int x\sin 2x\,dx = \frac{1}{2}\left(-\frac{x\cos 2x}{2} + \frac{\sin 2x}{4}\right) = -\frac{x\cos 2x}{4} + \frac{\sin 2x}{8} \]
Ответ: \[ -\frac{x\cos 2x}{4} + \frac{\sin 2x}{8} + C \]
ИДЗ 8.4 Задача 2.3
Интегралы

Найти неопределённый интеграл:

\[ \int \frac{3x^{2} + 1}{(x-1)^{2}(x^{2}-1)} \, dx \]
МЕТОД

Разложение на простейшие дроби

Почему этот метод? Степень числителя (2) меньше степени знаменателя (4) → правильная рациональная дробь. Знаменатель раскладывается на линейные множители: \((x-1)^2(x^2-1) = (x-1)^3(x+1)\). Каждый линейный множитель даёт простейшую дробь. После разложения каждое слагаемое интегрируется по таблице.

Пошаговое решение

1

Факторизация знаменателя

Разложим \(x^2-1\) как разность квадратов:

\[ x^2 - 1 = (x-1)(x+1) \]

Подставляем в знаменатель:

\[ (x-1)^2 \cdot (x^2-1) = (x-1)^2 \cdot (x-1)(x+1) = (x-1)^3(x+1) \]

Знаменатель имеет корень \(x=1\) кратности 3 и корень \(x=-1\) кратности 1.

2

Запись разложения на простейшие дроби

Для кратного корня \(x=1\) кратности 3 и простого корня \(x=-1\):

\[ \frac{3x^2+1}{(x-1)^3(x+1)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{(x-1)^2} + \frac{C}{(x-1)^3} + \frac{D}{x+1} \]
3

Умножение обеих частей на \((x-1)^3(x+1)\)

\[ 3x^2+1 = A(x-1)^2(x+1) + B(x-1)(x+1) + C(x+1) + D(x-1)^3 \]
4

Нахождение коэффициентов подстановкой удобных значений \(x\)

При \(x = 1\): обнуляются все слагаемые с \((x-1)\):

\[ 3(1)^2 + 1 = C(1+1) \quad\Rightarrow\quad 4 = 2C \quad\Rightarrow\quad C = 2 \]

При \(x = -1\): обнуляются все слагаемые с \((x+1)\):

\[ 3(-1)^2 + 1 = D(-1-1)^3 \quad\Rightarrow\quad 4 = D\cdot(-8) \quad\Rightarrow\quad D = -\frac{1}{2} \]
5

Нахождение \(A\) и \(B\) сравнением коэффициентов

Раскроем скобки и сравним коэффициенты при степенях \(x\):

\[ \text{при } x^3: \quad A + D = 0 \quad\Rightarrow\quad A = -D = \frac{1}{2} \]
\[ \text{при } x^2: \quad -A + B - 3D = 3 \quad\Rightarrow\quad -\frac{1}{2} + B + \frac{3}{2} = 3 \quad\Rightarrow\quad B = 2 \]

Итого: \(A = \tfrac{1}{2},\; B = 2,\; C = 2,\; D = -\tfrac{1}{2}\).

6

Интегрирование каждой простейшей дроби

\[ \int\frac{\tfrac{1}{2}}{x-1}\,dx = \frac{1}{2}\ln|x-1| \]
\[ \int\frac{2}{(x-1)^2}\,dx = -\frac{2}{x-1} \]
\[ \int\frac{2}{(x-1)^3}\,dx = -\frac{1}{(x-1)^2} \]
\[ \int\frac{-\tfrac{1}{2}}{x+1}\,dx = -\frac{1}{2}\ln|x+1| \]
7

Суммирование результатов

Ответ: \[ \frac{1}{2}\ln|x-1| - \frac{2}{x-1} - \frac{1}{(x-1)^2} - \frac{1}{2}\ln|x+1| + C \]

Можно записать компактнее: \(\;\dfrac{1}{2}\ln\!\left|\dfrac{x-1}{x+1}\right| - \dfrac{2}{x-1} - \dfrac{1}{(x-1)^2} + C\)

ИДЗ 9.1 Задача 1.3
Опр. интегралы

Вычислить определённый интеграл:

\[ \int_{0}^{1} \frac{x^{2}}{x^{2} + 1} \, dx \]
МЕТОД

Алгебраическое преобразование + формула Ньютона–Лейбница

Почему этот метод? Числитель и знаменатель одного порядка по \(x\). Выделим целую часть: \(\dfrac{x^2}{x^2+1} = 1 - \dfrac{1}{x^2+1}\). Обе части — табличные интегралы (\(\int 1\,dx\) и \(\int\frac{dx}{x^2+1} = \arctan x\)), поэтому применяем формулу Ньютона–Лейбница напрямую.

Пошаговое решение

1

Алгебраическое преобразование подынтегральной функции

Прибавляем и вычитаем 1 в числителе:

\[ \frac{x^2}{x^2+1} = \frac{(x^2+1)-1}{x^2+1} = 1 - \frac{1}{x^2+1} \]
2

Разбиение на два табличных интеграла

\[ \int_0^1\frac{x^2\,dx}{x^2+1} = \int_0^1 1\,dx - \int_0^1\frac{dx}{x^2+1} \]
3

Нахождение первообразной

\[ F(x) = x - \arctan x \]

Используем табличный интеграл: \(\displaystyle\int\frac{dx}{x^2+1} = \arctan x + C\).

4

Применение формулы Ньютона–Лейбница \(F(b)-F(a)\)

\[ \Big[x - \arctan x\Big]_0^1 = \Big(1 - \arctan 1\Big) - \Big(0 - \arctan 0\Big) \]
\[ = \left(1 - \frac{\pi}{4}\right) - (0 - 0) = 1 - \frac{\pi}{4} \]

Здесь использовано: \(\arctan 1 = \dfrac{\pi}{4}\), \(\arctan 0 = 0\).

Ответ: \[ 1 - \frac{\pi}{4} \approx 0{,}2146 \]
ИДЗ 11.1 Задача 1.3
ДУ

Найти общее решение ДУ:

\[ y' = (2x - 1)\ctg y \]
МЕТОД

Разделение переменных

Почему этот метод? Уравнение имеет вид \(y' = f(x)\cdot g(y)\), где правая часть разбивается на множители — один зависит только от \(x\), другой только от \(y\). Это классическое уравнение с разделяющимися переменными: всё с \(y\) — влево, всё с \(x\) — вправо, затем интегрируем обе части.

Пошаговое решение

1

Запись уравнения в форме с дифференциалами

\[ \frac{dy}{dx} = (2x-1)\ctg y \]
2

Разделение переменных

Делим обе части на \(\ctg y\) (при \(\ctg y \neq 0\), т.е. \(y\neq\pi n\)), умножаем на \(dx\):

\[ \frac{dy}{\ctg y} = (2x-1)\,dx \]

Заметим: \(\dfrac{1}{\ctg y} = \tg y = \dfrac{\sin y}{\cos y}\). Таким образом, левая часть — это \(\tg y\,dy\).

\[ \tg y\,dy = (2x-1)\,dx \]
3

Интегрирование обеих частей

\[ \int\tg y\,dy = \int(2x-1)\,dx \]

Левая часть: \(\displaystyle\int\tg y\,dy = \int\frac{\sin y}{\cos y}\,dy\). Это интеграл вида \(\int\frac{du}{u}\) при \(u=\cos y\), \(du=-\sin y\,dy\):

\[ \int\tg y\,dy = -\ln|\cos y| \]

Правая часть:

\[ \int(2x-1)\,dx = x^2 - x \]
4

Запись общего решения

Объединяем произвольные постоянные обеих сторон в одну \(C\):

\[ -\ln|\cos y| = x^2 - x + \tilde{C} \]

Умножим обе части на \(-1\) (константа \(C = -\tilde{C}\) остаётся произвольной):

Ответ: \[ \ln|\cos y| = -x^{2} + x + C \]
ИДЗ 11.2 Задача 2.3
ДУ

Найти общее решение ДУ (понижение порядка):

\[ x^{3} y'' + x^{2} y' = 1 \]
МЕТОД

Понижение порядка: замена \(z = y'\)

Почему этот метод? В уравнении явно отсутствует \(y\) — только производные \(y'\) и \(y''\). Это признак уравнения типа \(F(x, y', y'') = 0\). Замена \(z = y'\) (т.е. \(z' = y''\)) понижает порядок до первого, превращая задачу в линейное ДУ 1-го порядка, которое решается методом интегрирующего множителя.

Пошаговое решение

1

Замена переменной для понижения порядка

\[ z = y', \quad z' = y'' \]

Подставляем в уравнение:

\[ x^3 z' + x^2 z = 1 \]
2

Приведение к стандартной форме линейного ДУ 1-го порядка

Делим всё на \(x^3\):

\[ z' + \frac{1}{x}\,z = \frac{1}{x^3} \]

Стандартная форма: \(z' + P(x)\,z = Q(x)\), где \(P(x)=\dfrac{1}{x}\), \(Q(x)=\dfrac{1}{x^3}\).

3

Нахождение интегрирующего множителя

\[ \mu(x) = e^{\int P(x)\,dx} = e^{\int \frac{dx}{x}} = e^{\ln|x|} = x \]
4

Умножение уравнения на \(\mu = x\) и интегрирование

После умножения левая часть становится точным дифференциалом:

\[ \frac{d}{dx}(xz) = \frac{x}{x^3} = \frac{1}{x^2} \]

Интегрируем обе части:

\[ xz = \int\frac{dx}{x^2} = -\frac{1}{x} + C_1 \]

Откуда:

\[ z = \frac{C_1}{x} - \frac{1}{x^2} \]
5

Обратный переход: \(z = y'\), интегрируем ещё раз

\[ y = \int z\,dx = \int\!\left(\frac{C_1}{x} - \frac{1}{x^2}\right)dx = C_1\ln|x| + \frac{1}{x} + C_2 \]
Ответ: \[ y = C_1 \ln|x| + \frac{1}{x} + C_2 \]
ИДЗ 11.3 Задача 1.3
ДУ

Найти общее решение ДУ:

а) \(y'' - 4y' = 0\)
б) \(y'' - 4y' + 13y = 0\)
в) \(y'' - 3y' + 2y = 0\)
МЕТОД

Характеристическое уравнение

Почему этот метод? Все три уравнения — линейные однородные ДУ 2-го порядка с постоянными коэффициентами: \(y'' + py' + qy = 0\). Для них ищем решение в виде \(y = e^{\lambda x}\). Подстановка приводит к алгебраическому уравнению \(\lambda^2 + p\lambda + q = 0\) (характеристическое). Вид общего решения определяется типом корней \(\lambda\).

Алгоритм для каждого случая

а) \(y'' - 4y' = 0\)

Характеристическое уравнение: \(\lambda^2 - 4\lambda = 0\)
Факторизация: \(\lambda(\lambda - 4) = 0\)
Корни: \(\lambda_1 = 0,\quad \lambda_2 = 4\)

Корни вещественные и различные (\(\lambda_1 \neq \lambda_2\)) → общее решение: \(y = C_1 e^{\lambda_1 x} + C_2 e^{\lambda_2 x}\).

При \(\lambda_1=0\): \(e^{0\cdot x} = 1\), поэтому первое слагаемое — просто \(C_1\).

Ответ а): \(y = C_1 + C_2 e^{4x}\)

б) \(y'' - 4y' + 13y = 0\)

Характеристическое уравнение: \(\lambda^2 - 4\lambda + 13 = 0\)
Дискриминант: \(D = 16 - 52 = -36 < 0\)
Корни: \(\lambda_{1,2} = \dfrac{4 \pm \sqrt{-36}}{2} = \dfrac{4 \pm 6i}{2} = 2 \pm 3i\)

Корни комплексно-сопряжённые: \(\alpha \pm \beta i\), где \(\alpha=2\), \(\beta=3\).

Правило: \(y = e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x + C_2\sin\beta x)\).

Ответ б): \(y = e^{2x}(C_1\cos 3x + C_2\sin 3x)\)

в) \(y'' - 3y' + 2y = 0\)

Характеристическое уравнение: \(\lambda^2 - 3\lambda + 2 = 0\)
Факторизация: \((\lambda-1)(\lambda-2) = 0\)
Корни: \(\lambda_1 = 1,\quad \lambda_2 = 2\)

Корни вещественные и различные → \(y = C_1 e^{\lambda_1 x} + C_2 e^{\lambda_2 x}\).

Ответ в): \(y = C_1 e^{x} + C_2 e^{2x}\)
ИДЗ 12.1 Задача 2.3
Ряды

Исследовать ряд на сходимость:

\[ \sum_{n=1}^{\infty} \left( -\frac{7}{8} \right)^{n} \frac{1}{n^{7}} \]
МЕТОД

Признак Даламбера

Почему этот метод? Ряд знакочередующийся (из-за \((-7/8)^n\)) и содержит показательную функцию. Признак Даламбера работает с отношением соседних членов \(\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|\): если предел \(< 1\) — ряд абсолютно сходится, если \(> 1\) — расходится, если \(= 1\) — требуется другой признак. Здесь знакочередование не мешает: исследуем \(|a_n|\).

Пошаговое решение

1

Запись общего члена ряда

\[ a_n = \left(-\frac{7}{8}\right)^n \frac{1}{n^7} \]

Работаем с модулем: \(|a_n| = \left(\dfrac{7}{8}\right)^n \dfrac{1}{n^7}\).

2

Запись следующего члена \(|a_{n+1}|\)

\[ |a_{n+1}| = \left(\frac{7}{8}\right)^{n+1} \frac{1}{(n+1)^7} \]
3

Вычисление отношения \(\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|\)

\[ \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \frac{\left(\tfrac{7}{8}\right)^{n+1}}{(n+1)^7} \cdot \frac{n^7}{\left(\tfrac{7}{8}\right)^n} = \frac{7}{8}\cdot\left(\frac{n}{n+1}\right)^7 \]
4

Вычисление предела при \(n\to\infty\)

\[ L = \lim_{n\to\infty}\frac{7}{8}\cdot\left(\frac{n}{n+1}\right)^7 = \frac{7}{8}\cdot\left(\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n+1}\right)^7 = \frac{7}{8}\cdot 1^7 = \frac{7}{8} \]

Предел \(\left(\dfrac{n}{n+1}\right)^7 \to 1\), так как \(\dfrac{n}{n+1} = \dfrac{1}{1+1/n} \to 1\).

5

Вывод

\[ L = \frac{7}{8} < 1 \]
Вывод: По признаку Даламбера \(L < 1\) → ряд абсолютно сходится.

Абсолютная сходимость влечёт обычную сходимость, поэтому ряд сходится.

ИДЗ 12.2 Задача 2.3
Ряды

Найти область сходимости функционального ряда:

\[ \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln^{2} x}{n^{n}} \]
МЕТОД

Радикальный признак Коши

Почему этот метод? В знаменателе стоит \(n^n\) — это быстро растущая функция вида «число в степени \(n\)». Радикальный признак Коши идеально работает в таких случаях: \(\sqrt[n]{n^n} = n\) вычисляется мгновенно. При нахождении области сходимости фиксируем \(x\) как параметр и исследуем сходимость по \(n\).

Пошаговое решение

1

Запись общего члена

\[ a_n(x) = \frac{\ln^2 x}{n^n} \]

Для данного \(x > 0\), \(x \neq 1\) величина \(\ln^2 x\) — фиксированное положительное число, не зависящее от \(n\).

2

Вычисление \(\sqrt[n]{|a_n(x)|}\)

\[ \sqrt[n]{|a_n|} = \sqrt[n]{\frac{\ln^2 x}{n^n}} = \frac{(\ln^2 x)^{1/n}}{(n^n)^{1/n}} = \frac{(\ln^2 x)^{1/n}}{n} \]
3

Вычисление предела при \(n\to\infty\)

\[ L = \lim_{n\to\infty}\frac{(\ln^2 x)^{1/n}}{n} \]

Числитель: \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}(\ln^2 x)^{1/n} = e^{\lim_{n\to\infty}\frac{\ln(\ln^2 x)}{n}} = e^0 = 1\) (при \(x\neq 1\), \(x>0\)).

Знаменатель: \(n \to +\infty\).

\[ L = \frac{1}{+\infty} = 0 \]
4

Анализ пограничного случая \(x = 1\)

\[ a_n(1) = \frac{\ln^2 1}{n^n} = \frac{0}{n^n} = 0 \]

Все члены равны нулю → ряд тривиально сходится при \(x=1\).

5

Вывод и область сходимости

\[ L = 0 < 1 \quad \text{при всех } x > 0 \]
Вывод: По признаку Коши \(L = 0 < 1\) для любого \(x > 0\). Ряд сходится абсолютно.
Область сходимости: \(\;(0;\,+\infty)\)
Метод → обоснование → полные выкладки → ответ. Готово к защите.