Метод замены переменной в неопределенном интеграле.
Примеры решений
Во многих случаях подынтегральное выражение не позволяет сразу же найти интеграл по таблице. Тогда введение новой переменной интегрирования помогает свести нахождение данного интеграла к нахождению табличного интеграла. Такой метод называется методом подстановки или методом замены переменной.
Технически метод замены переменной в неопределенном интеграле реализуется двумя способами:
– Подведение функции под знак дифференциала;
– Собственно замена переменной.
По сути дела, это одно и то же, но оформление решения выглядит по-разному.
Начнем с более простого случая.
Подведение функции под знак дифференциала
Пример 1
Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.
Смотрим на таблицу интегралов и находим похожую формулу: 
. Но проблема заключается в том, что у нас под синусом не просто буковка «икс», а сложное выражение. Что делать?
Подводим функцию 
под знак дифференциала:
Раскрывая дифференциал, легко проверить, что:
Фактически
и 
– это запись одного и того же.
Но, тем не менее, остался вопрос, а как мы пришли к мысли, что на первом шаге нужно записать наш интеграл именно так:
Почему так, а не иначе?
Формула
(и все другие табличные формулы) справедливы и применимы НЕ ТОЛЬКО для переменной 
, но и для любого сложного выражения ЛИШЬ БЫ АРГУМЕНТ ФУНКЦИИ (
– в нашем примере) И ВЫРАЖЕНИЕ ПОД ЗНАКОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛА БЫЛИ ОДИНАКОВЫМИ.
Поэтому мысленное рассуждение при решении должно складываться примерно так: надо решить интеграл
.
В таблице похожая формула
.
Но тут сложный аргумент и формулой сразу воспользоваться нельзя. Однако если мне удастся получить и под знаком дифференциала, то всё будет нормально.
Если записать 
, тогда 
. Но в исходном интеграле 
множителя-тройки нет, поэтому, чтобы подынтегральная функция не изменилась, надо ее домножить на 
».
В ходе примерно таких мысленных рассуждений и рождается запись:
Теперь можно пользоваться табличной формулой :
Готово
Единственное отличие, у нас не буква «икс», а сложное выражение .
Выполним проверку. Открываем таблицу производных и дифференцируем ответ:
Получена исходная подынтегральная функция, значит, интеграл найден правильно.
Обратите внимание, что в ходе проверки мы использовали правило дифференцирования сложной функции 
.
По сути дела подведение функции под знак дифференциала и – это два взаимно обратных правила.
Пример 2
Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.
Анализируем подынтегральную функцию. Здесь у нас дробь, причем в знаменателе линейная функция (с «иксом» в первой степени). Смотрим в таблицу интегралов и находим наиболее похожую вещь:
.
Подводим функцию 
под знак дифференциала:
Те, кому трудно сразу сообразить, на какую дробь нужно домножать, могут быстренько на черновике раскрыть дифференциал: 
. Ага, получается 
, значит, чтобы ничего не изменилось, надо домножить интеграл на 
.
Далее используем табличную формулу
:
Проверка:
Получена исходная подынтегральная функция, значит, интеграл найден правильно.
Пример 3
Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.
При определенном опыте решения интегралов, подобные примеры будут казаться лёгкими, и щелкаться как орехи:
И так далее.
В конце данного параграфа хотелось бы еще остановиться на «халявном» случае, когда в линейной функции переменная входит с единичным коэффициентом, например:
Строго говоря, решение должно выглядеть так:
Как видите, подведение функции 
под знак дифференциала прошло «безболезненно», без всяких домножений. Поэтому на практике таким длинным решением часто пренебрегают и сразу записывают, что 
.
Пример 4
Найти неопределенный интеграл.
В качестве примера я взял интеграл, который мы рассматривали в самом начале урока. Как мы уже говорили, для решения интеграла нам приглянулась табличная формула
,
и всё дело хотелось бы свести к ней.
Идея метода замены состоит в том, чтобы сложное выражение (или некоторую функцию) заменить одной буквой.
В данном случае напрашивается: 
Вторая по популярности буква для замены – это буква 
.
В принципе, можно использовать и другие буквы, но мы всё-таки будем придерживаться традиций.
Но при замене у нас остаётся 
! Наверное, многие догадались, что если осуществляется переход к новой переменной 
, то в новом интеграле всё должно быть выражено через букву , и дифференциалу там совсем не место.
Следует логичный вывод, что нужно превратить в некоторое выражение, которое зависит только от .
Действие следующее. После того, как мы подобрали замену, в данном примере, , нам нужно найти дифференциал 
. С дифференциалами, думаю, дружба уже у всех налажена.
Так как , то
После разборок с дифференциалом окончательный результат рекомендую переписать максимально коротко: 
Теперь по правилам пропорции выражаем нужный нам :
В итоге:
Таким образом:
А это уже самый что ни на есть табличный интеграл (таблица интегралов, естественно, справедлива и для переменной ).
В заключении осталось провести обратную замену. Вспоминаем, что .
Готово.
Чистовое оформление рассмотренного примера должно выглядеть примерно так:
“
Проведем замену:
“
Значок 
не несет никакого математического смысла, он обозначает, что мы прервали решение для промежуточных объяснений.
Также всем рекомендую использовать математический знак 
вместо фразы «из этого следует это». И коротко, и удобно.
При оформлении примера в тетради надстрочную пометку 
обратной замены лучше выполнять простым карандашом.
А теперь самое время вспомнить первый способ решения:
В чем разница? Принципиальной разницы нет. Это фактически одно и то же. Но с точки зрения оформления задания метод подведения функции под знак дифференциала – гораздо короче.
Возникает вопрос. Если первый способ короче, то зачем тогда использовать метод замены? Дело в том, что для ряда интегралов не так-то просто «подогнать» функцию под знак дифференциала.
