การหาปริพันธ์โดยใช้สูตรลดทอน

จาก testwiki
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา

{{#invoke:sidebar|collapsible | class = plainlist | titlestyle = padding-bottom:0.25em; | pretitle = บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ | title = แคลคูลัส | image = abf(t)dt=f(b)f(a) | listtitlestyle = text-align:center; | liststyle = border-top:1px solid #aaa;padding-top:0.15em;border-bottom:1px solid #aaa; | expanded = Integral

| abovestyle = padding:0.15em 0.25em 0.3em;font-weight:normal; | above = ทฤษฎีบทมูลฐาน แม่แบบ:Startflatlist

แม่แบบ:Endflatlistแม่แบบ:Startflatlist

แม่แบบ:Endflatlist

| list2name = อนุพันธ์ | list2titlestyle = display:block;margin-top:0.65em; | list2title = แคลคูลัสเชิงอนุพันธ์ | list2 =

แม่แบบ:Sidebar

| list3name = ปริพันธ์ | list3title = แคลคูลัสเชิงปริพันธ์ | list3 =

แม่แบบ:Sidebar

| list4name = อนุกรม | list4title = อนุกรม | list4 =

แม่แบบ:Sidebar

| list5name = เวกเตอร์ | list5title = แคลคูลัสเวกเตอร์ | list5 =

แม่แบบ:Sidebar

| list6name = หลายตัวแปร | list6title = แคลคูลัสหลายตัวแปร | list6 =

แม่แบบ:Sidebar

| list7name = พิเศษ | list7title = พิเศษ | list7 = แม่แบบ:Startflatlist

แม่แบบ:Endflatlist

}}

ในแคลคูลัสเชิงปริพันธ์ การหาปริพันธ์โดยใช้สูตรลดทอน เป็นวิธีการที่ใช้ความสัมพันธ์เวียนเกิด ใช้เมื่อนิพจน์ที่มีตัวแปรเสริมเป็นจำนวนเต็ม ซึ่งโดยปกติอยู่ในรูปของเลขยกกำลังของฟังก์ชันเบื้องต้น หรือผลคูณของฟังก์ชันอดิศัย และพหุนามที่มีดีกรีใด ๆ ไม่สามารถหาปริพันธ์โดยตรงได้ แต่การใช้วิธีการหาปริพันธ์อื่น ๆ สามารถกำหนดสูตรลดทอนเพื่อให้ได้ปริพันธ์ของนิพจน์เดียวกันหรือคล้ายกันที่มีตัวแปรจำนวนเต็มเสริมที่ต่ำลง โดยจะลดความซับซ้อนของปริพันธ์ลงทีละน้อยจนกระทั่งสามารถหาค่าได้ [1] วิธีหาปริพันธ์นี้เป็นหนึ่งในวิธีแรก ๆ ที่ใช้กัน

วิธีการหาสูตรลดทอน

สูตรลดทอนสามารถหาได้โดยใช้วิธีการหาปริพันธ์ทั่วไป เช่นการหาปริพันธ์โดยการแทนค่า การหาปริพันธ์โดยการแยกส่วน การหาปริพันธ์โดยการแทนค่าฟังก์ชันตรีโกณมิติ การหาปริพันธ์โดยการหาเศษส่วนย่อย ฯลฯ แนวคิดหลักคือให้ปริพันธ์ที่มีตัวแปรเสริมจำนวนเต็ม (เช่น เลขยกกำลัง) ของฟังก์ชันเป็น In ปริพันธ์ที่มีกับค่าตัวแปรเสริมที่ต่ำลง (เลขยกกำลังต่ำกว่า) ของฟังก์ชันนั้นให้เป็น เช่น In -1 หรือ In -2 ซึ่งทำให้สูตรลดทอนเป็นประเภทหนึ่งของความสัมพันธ์เวียนเกิด กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ สูตรลดทอนจะทำให้ปริพันธ์

In=f(x,n)dx,

อยู่ในรูปของ

Ik=f(x,k)dx,

เมื่อ

k<n.

วิธีการคำนวณหาปริพันธ์

ในการคำนวณหาปริพันธ์ เราให้ n เป็นค่าของตัวแปรเสริม และใช้สูตรลดทอนเพื่อแสดงอยู่ในรูปของปริพันธ์ของ (n – 1) หรือ (n – 2) ปริพันธ์ที่มีเลขยกกำลังต่ำกว่าสามารถนำมาใช้คำนวณปริพันธ์เลขยกกำลังสูงกว่าได้ โดยกระบวนการนี้ทำต่อไปซ้ำ ๆ จนกว่าจะถึงจุดที่สามารถหาปริพันธ์ฟังก์ชันได้ โดยปกติเมื่อเลขยกกำลังของฟังก์ชันดังกล่าวเป็น 0 หรือ 1 จากนั้นเราทำการแทนค่าผลลัพธ์ก่อนหน้านั้นอีกครั้งจนกระทั่งเราหา In ได้[2]

ตัวอย่าง

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของวิธีการใช้สูตรลดทอน

ปริพันธ์ของฟังก์ชันโคไซน์

โดยทั่วไปปริพันธ์เช่น

cosnxdx,

สามารถหาค่าได้โดยการใช้สูตรลดทอน

cosn(x)dx, สำหรับ n = 1, 2 ... 30

เริ่มต้นโดยการตั้งให้

In=cosnxdx.

สามารถเขียนใหม่ได้เป็น

In=cosn1xcosxdx,

หาปริพันธ์โดยการแทนค่าดังนี้

cosxdx=d(sinx),
In=cosn1xd(sinx).

สามารถหาปริพันธ์โดยการแยกส่วน

cosnxdx=cosn1xd(sinx)=cosn1xsinxsinxd(cosn1x)=cosn1xsinx+(n1)sinxcosn2xsinxdx=cosn1xsinx+(n1)cosn2xsin2xdx=cosn1xsinx+(n1)cosn2x(1cos2x)dx=cosn1xsinx+(n1)cosn2xdx(n1)cosnxdx=cosn1xsinx+(n1)In2(n1)In,
In +(n1)In =cosn1xsinx + (n1)In2,
nIn =cosn1(x)sinx +(n1)In2,
In =1ncosn1xsinx +n1nIn2,

ดังนั้นสูตรลดทอนคือ

cosnxdx =1ncosn1xsinx+n1ncosn2xdx.

ตัวอย่างเพิ่มเติมจากตัวอย่างด้านบนสามารถนำมาใช้หาปริพันธ์สมมติให้ n = 5

I5=cos5xdx.

คำนวนหาปริพันธ์ที่มีเลขดัชนีต่ำกว่า

n=5,I5=15cos4xsinx+45I3,
n=3,I3=13cos2xsinx+23I1,

แทนค่ากลับได้

I1 =cosxdx=sinx+C1,
I3 =13cos2xsinx+23sinx+C2,C2 =23C1,
I5 =15cos4xsinx+45[13cos2xsinx+23sinx]+C,

โดยที่ C เป็นค่าคงที่

ปริพันธ์ของเลขชี้กำลัง

ตัวอย่างทั่วไปอีกอันคือ

xneaxdx.

เริ่มโดยการตั้งให้

In=xneaxdx.

หาปริพันธ์โดยการแทนค่า

xndx=d(xn+1)n+1,
In=1n+1eaxd(xn+1),

สามารถหาปริพันธ์โดยการแยกส่วน

eaxd(xn+1)=xn+1eaxxn+1d(eax)=xn+1eaxaxn+1eaxdx,
(n+1)In=xn+1eaxaIn+1,

เลื่อนดัชนีกลับไป 1 (n + 1n และ nn – 1)

nIn1=xneaxaIn,

แก้หา In

In=1a(xneaxnIn1),

ดังนั้นสูตรลดทอนคือ

xneaxdx=1a(xneaxnxn1eaxdx).

วิธีทางเลือกอื่นในการหาสูตรลดทอนทำได้โดยเริ่มจากการแทนค่า eax

หาปริพันธ์โดยการแทนค่า

eaxdx=d(eax)a,

In=1axnd(eax),

สามารถหาปริพันธ์โดยการแยกส่วน

xnd(eax)=xneaxeaxd(xn)=xneaxneaxxn1dx,

ซึ่งให้สูตรลดลดทอนเมื่อแทนค่ากลับ

In=1a(xneaxnIn1),

ซึ่งเท่ากับ

xneaxdx=1a(xneaxnxn1eaxdx).

อีกทางเลือกหนึ่งในการหาสูตรลดทอนได้โดยการบูรณาการแบบแยกส่วน

In=xnxeaxdx,
u=xn dv=eax,
dudx =nxn1 v=eaxa 
In=xneaxa nxn1 eaxa dx 
In=xneaxa na xn1eax dx 

จำไว้ว่า

In1=xn1eax dx 
 In=xneaxa na In1

ซึ่งให้สูตรลดทอนเมื่อแทนค่ากลับ

In=1a(xneaxnIn1),

ซึ่งเท่ากับ

xneaxdx=1a(xneaxnxn1eaxdx).

รายการสูตรลดทอนจำนวนเต็ม

ฟังก์ชันตรรกยะ

ปริพันธ์ต่อไปนี้[3] ประกอบด้วย

  • ตัวประกอบของรากเชิงเส้น ax+b
  • ตัวประกอบเชิงเส้น px+q และรากเชิงเส้น ax+b
  • ตัวประกอบกำลังสอง x2+a2
  • ตัวประกอบกำลังสอง x2a2, สำหรับ x>a
  • ตัวประกอบกำลังสอง a2x2, สำหรับ x<a
  • ตัวประกอบกำลังสอง (ลดทอนไม่ได้) ax2+bx+c
  • รากที่สองของตัวประกอบกำลังสองที่ลดทอนไม่ได้ ax2+bx+c
ปริพันธ์ สูตรลดทอน
In=xnax+bdx In=2xnax+ba(2n+1)2nba(2n+1)In1
In=dxxnax+b In=ax+b(n1)bxn1a(2n3)2b(n1)In1
In=xnax+bdx In=2xn(ax+b)3a(2n+3)2nba(2n+3)In1
Im,n=dx(ax+b)m(px+q)n Im,n={1(n1)(bpaq)[1(ax+b)m1(px+q)n1+a(m+n2)Im,n1]1(m1)(bpaq)[1(ax+b)m1(px+q)n1+p(m+n2)Im1,n]
Im,n=(ax+b)m(px+q)ndx Im,n={1(n1)(bpaq)[(ax+b)m+1(px+q)n1+a(nm2)Im,n1]1(nm1)p[(ax+b)m(px+q)n1+m(bpaq)Im1,n]1(n1)p[(ax+b)m(px+q)n1amIm1,n1]
ปริพันธ์ สูตรลดขนาด
In=(px+q)nax+bdx (px+q)nax+bdx=2(px+q)n+1ax+bp(2n+3)+bpaqp(2n+3)In In=2(px+q)nax+ba(2n+1)+2n(aqbp)a(2n+1)In1
In=dx(px+q)nax+b ax+b(px+q)ndx=ax+bp(n1)(px+q)n1+a2p(n1)In In=ax+b(n1)(aqbp)(px+q)n1+a(2n3)2(n1)(aqbp)In1
ปริพันธ์ สูตรลดขนาด
In=dx(x2+a2)n In=x2a2(n1)(x2+a2)n1+2n32a2(n1)In1
In,m=dxxm(x2+a2)n a2In,m=Im,n1Im2,n
In,m=xm(x2+a2)ndx In,m=Im2,n1a2Im2,n
ปริพันธ์ สูตรลดขนาด
In=dx(x2a2)n In=x2a2(n1)(x2a2)n12n32a2(n1)In1
In,m=dxxm(x2a2)n a2In,m=Im2,nIm,n1
In,m=xm(x2a2)ndx In,m=Im2,n1+a2Im2,n
ปริพันธ์ สูตรลดขนาด
In=dx(a2x2)n In=x2a2(n1)(a2x2)n1+2n32a2(n1)In1
In,m=dxxm(a2x2)n a2In,m=Im,n1+Im2,n
In,m=xm(a2x2)ndx In,m=a2Im2,nIm2,n1
ปริพันธ์ สูตรลดขนาด
In=dxxn(ax2+bx+c) cIn=1xn1(n1)+bIn1+aIn2
Im,n=xmdx(ax2+bx+c)n Im,n=xm1a(2nm1)(ax2+bx+c)n1b(nm)a(2nm1)Im1,n+c(m1)a(2nm1)Im2,n
Im,n=dxxm(ax2+bx+c)n c(m1)Im,n=1xm1(ax2+bx+c)n1+a(m+2n3)Im2,n+b(m+n2)Im1,n
ปริพันธ์ สูตรลดขนาด
In=(ax2+bx+c)ndx 8a(n+1)In+12=2(2ax+b)(ax2+bx+c)n+12+(2n+1)(4acb2)In12
In=1(ax2+bx+c)ndx (2n1)(4acb2)In+12=2(2ax+b)(ax2+bx+c)n12+8a(n1)In12
In+12=I2n+12=1(ax2+bx+c)2n+12dx=1(ax2+bx+c)2n+1dx

ฟังก์ชันอดิศัย

ปริพันธ์ต่อไปนี้[4] ประกอบด้วย

  • ตัวประกอบของไซน์
  • ตัวประกอบของโคไซน์
  • ตัวประกอบของผลคูณและผลหารของไซน์และโคไซน์
  • ผลคูณ/ผลหารของตัวประกอบเลขชี้กำลังและกำลังของ x
  • ผลคูณของตัวประกอบเลขชี้กำลังและไซน์/โคไซน์
ปริพันธ์ สูตรลดทอน
In=xnsinaxdx a2In=axncosax+nxn1sinaxn(n1)In2
Jn=xncosaxdx a2Jn=axnsinax+nxn1cosaxn(n1)Jn2
In=sinaxxndx

Jn=cosaxxndx

In=sinax(n1)xn1+an1Jn1

Jn=cosax(n1)xn1an1In1

สูตรเหล่านี้สามารถรวมกันให้อยู่ในรูป In

Jn1=cosax(n2)xn2an2In2

In=sinax(n1)xn1an1[cosax(n2)xn2+an2In2]

In=sinax(n1)xn1a(n1)(n2)(cosaxxn2+aIn2)

และในรูป Jn

In1=sinax(n2)xn2+an2Jn2

Jn=cosax(n1)xn1an1[sinax(n2)xn2+an2Jn2]

Jn=cosax(n1)xn1a(n1)(n2)(sinaxxn2+aJn2)

In=sinnaxdx anIn=sinn1axcosax+a(n1)In2
Jn=cosnaxdx anJn=sinaxcosn1ax+a(n1)Jn2
In=dxsinnax (n1)In=cosaxasinn1ax+(n2)In2
Jn=dxcosnax (n1)Jn=sinaxacosn1ax+(n2)Jn2
ปริพันธ์ สูตรลดรูป
Im,n=sinmaxcosnaxdx Im,n={sinm1axcosn+1axa(m+n)+m1m+nIm2,nsinm+1axcosn1axa(m+n)+n1m+nIm,n2
Im,n=dxsinmaxcosnax Im,n={1a(n1)sinm1axcosn1ax+m+n2n1Im,n21a(m1)sinm1axcosn1ax+m+n2m1Im2,n
Im,n=sinmaxcosnaxdx Im,n={sinm1axa(n1)cosn1axm1n1Im2,n2sinm+1axa(n1)cosn1axmn+2n1Im,n2sinm1axa(mn)cosn1ax+m1mnIm2,n
Im,n=cosmaxsinnaxdx Im,n={cosm1axa(n1)sinn1axm1n1Im2,n2cosm+1axa(n1)sinn1axmn+2n1Im,n2cosm1axa(mn)sinn1ax+m1mnIm2,n
ปริพันธ์ สูตรลดทอน
In=xneaxdx n>0 In=xneaxanaIn1
In=xneaxdx n>0

n1

In=eax(n1)xn1+an1In1
In=eaxsinnbxdx In=eaxsinn1bxa2+(bn)2(asinbxbncosbx)+n(n1)b2a2+(bn)2In2
In=eaxcosnbxdx In=eaxcosn1bxa2+(bn)2(acosbx+bnsinbx)+n(n1)b2a2+(bn)2In2

อ้างอิง

  1. Mathematical methods for physics and engineering, K.F. Riley, M.P. Hobson, S.J. Bence, Cambridge University Press, 2010, แม่แบบ:ISBN
  2. Further Elementary Analysis, R.I. Porter, G. Bell & Sons Ltd, 1978, แม่แบบ:ISBN
  3. http://www.sosmath.com/tables/tables.html -> รายการปริพันธ์ไม่จำกัดเขต
  4. http://www.sosmath.com/tables/tables.html -> รายการปริพันธ์ไม่จำกัดเขต

บรรณานุกรม

  • Anton, Bivens, Davis, Calculus, 7th edition.

แม่แบบ:Integrals