Математический анализ Примеры

$\frac{x^{2}}{\sqrt{16 - x^{2}}}$

Этап 1

Запишем $\frac{x^{2}}{\sqrt{16 - x^{2}}}$ в виде функции.

$f (x) = \frac{x^{2}}{\sqrt{16 - x^{2}}}$

Этап 2

Чтобы найти функцию $F (x)$ , найдем неопределенный интеграл производной $f (x)$ .

$F (x) = \int f (x) d x$

Этап 3

Составим интеграл, чтобы решить его.

$F (x) = \int \frac{x^{2}}{\sqrt{16 - x^{2}}} d x$

Этап 4

Пусть $x = 4 \sin (t)$ , где $- \frac{π}{2} \leq t \leq \frac{π}{2}$ . Тогда $d x = 4 \cos (t) d t$ . Заметим, что поскольку $- \frac{π}{2} \leq t \leq \frac{π}{2}$ , выражение $4 \cos (t)$ положительно.

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 - {(4 \sin (t))}^{2}}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5

Упростим члены.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.1

Упростим $\sqrt{16 - {(4 \sin (t))}^{2}}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.1.1

Упростим каждый член.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.1.1.1

Применим правило умножения к $4 \sin (t)$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 - (4^{2} \sin^{2} (t))}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.1.2

Возведем $4$ в степень $2$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 - (16 \sin^{2} (t))}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.1.3

Умножим $16$ на $- 1$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 - 16 \sin^{2} (t)}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.2

Вынесем множитель $16$ из $16$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 (1) - 16 \sin^{2} (t)}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.3

Вынесем множитель $16$ из $- 16 \sin^{2} (t)$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 (1) + 16 (- \sin^{2} (t))}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.4

Вынесем множитель $16$ из $16 (1) + 16 (- \sin^{2} (t))$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 (1 - \sin^{2} (t))}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.5

Применим формулу Пифагора.

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{16 \cos^{2} (t)}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.6

Перепишем $16 \cos^{2} (t)$ в виде ${(4 \cos (t))}^{2}$ .

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{\sqrt{{(4 \cos (t))}^{2}}} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.1.7

Вынесем члены из-под знака корня, предполагая, что вещественные числа являются положительными.

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{4 \cos (t)} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.2

Сократим выражение, путем отбрасывания общих множителей.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.2.1

Сократим общий множитель $4 \cos (t)$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.2.1.1

Сократим общий множитель.

$\int \frac{{(4 \sin (t))}^{2}}{4 \cos (t)} (4 \cos (t)) d t$

Этап 5.2.1.2

Перепишем это выражение.

$\int {(4 \sin (t))}^{2} d t$

Этап 5.2.2

Упростим.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 5.2.2.1

Вынесем множитель $4$ из $4 \sin (t)$ .

$\int {(4 (\sin (t)))}^{2} d t$

Этап 5.2.2.2

Применим правило умножения к $4 (\sin (t))$ .

$\int 4^{2} \sin^{2} (t) d t$

Этап 5.2.2.3

Возведем $4$ в степень $2$ .

$\int 16 \sin^{2} (t) d t$

Этап 6

Поскольку $16$ — константа по отношению к $t$ , вынесем $16$ из-под знака интеграла.

$16 \int \sin^{2} (t) d t$

Этап 7

Используем формулу половинного угла для записи $\sin^{2} (t)$ в виде $\frac{1 - \cos (2 t)}{2}$ .

$16 \int \frac{1 - \cos (2 t)}{2} d t$

Этап 8

Поскольку $\frac{1}{2}$ — константа по отношению к $t$ , вынесем $\frac{1}{2}$ из-под знака интеграла.

$16 (\frac{1}{2} \int 1 - \cos (2 t) d t)$

Этап 9

Упростим.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 9.1

Объединим $\frac{1}{2}$ и $16$ .

$\frac{16}{2} \int 1 - \cos (2 t) d t$

Этап 9.2

Сократим общий множитель $16$ и $2$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 9.2.1

Вынесем множитель $2$ из $16$ .

$\frac{2 \cdot 8}{2} \int 1 - \cos (2 t) d t$

Этап 9.2.2

Сократим общие множители.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 9.2.2.1

Вынесем множитель $2$ из $2$ .

$\frac{2 \cdot 8}{2 (1)} \int 1 - \cos (2 t) d t$

Этап 9.2.2.2

Сократим общий множитель.

$\frac{2 \cdot 8}{2 \cdot 1} \int 1 - \cos (2 t) d t$

Этап 9.2.2.3

Перепишем это выражение.

$\frac{8}{1} \int 1 - \cos (2 t) d t$

Этап 9.2.2.4

Разделим $8$ на $1$ .

$8 \int 1 - \cos (2 t) d t$

Этап 10

Разделим данный интеграл на несколько интегралов.

$8 (\int d t + \int - \cos (2 t) d t)$

Этап 11

Применим правило дифференцирования постоянных функций.

$8 (t + C + \int - \cos (2 t) d t)$

Этап 12

Поскольку $- 1$ — константа по отношению к $t$ , вынесем $- 1$ из-под знака интеграла.

$8 (t + C - \int \cos (2 t) d t)$

Этап 13

Пусть $u = 2 t$ . Тогда $d u = 2 d t$ , следовательно $\frac{1}{2} d u = d t$ . Перепишем, используя $u$ и $d$ $u$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 13.1

Пусть $u = 2 t$ . Найдем $\frac{d u}{d t}$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 13.1.1

Дифференцируем $2 t$ .

$\frac{d}{d t} [2 t]$

Этап 13.1.2

Поскольку $2$ является константой относительно $t$ , производная $2 t$ по $t$ равна $2 \frac{d}{d t} [t]$ .

$2 \frac{d}{d t} [t]$

Этап 13.1.3

Продифференцируем, используя правило степени, которое гласит, что $\frac{d}{d t} [t^{n}]$ имеет вид $n t^{n - 1}$ , где $n = 1$ .

$2 \cdot 1$

Этап 13.1.4

Умножим $2$ на $1$ .

$2$

Этап 13.2

Переформулируем задачу с помощью $u$ и $d u$ .

$8 (t + C - \int \cos (u) \frac{1}{2} d u)$

Этап 14

Объединим $\cos (u)$ и $\frac{1}{2}$ .

$8 (t + C - \int \frac{\cos (u)}{2} d u)$

Этап 15

Поскольку $\frac{1}{2}$ — константа по отношению к $u$ , вынесем $\frac{1}{2}$ из-под знака интеграла.

$8 (t + C - (\frac{1}{2} \int \cos (u) d u))$

Этап 16

Интеграл $\cos (u)$ по $u$ имеет вид $\sin (u)$ .

$8 (t + C - \frac{1}{2} (\sin (u) + C))$

Этап 17

Упростим.

$8 (t - \frac{1}{2} \sin (u)) + C$

Этап 18

Выполним обратную подстановку для каждой подставленной переменной интегрирования.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 18.1

Заменим все вхождения $t$ на $\arcsin (\frac{x}{4})$ .

$8 (\arcsin (\frac{x}{4}) - \frac{1}{2} \sin (u)) + C$

Этап 18.2

Заменим все вхождения $u$ на $2 t$ .

$8 (\arcsin (\frac{x}{4}) - \frac{1}{2} \sin (2 t)) + C$

Этап 18.3

Заменим все вхождения $t$ на $\arcsin (\frac{x}{4})$ .

$8 (\arcsin (\frac{x}{4}) - \frac{1}{2} \sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))) + C$

Этап 19

Упростим.

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 19.1

Объединим $\sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))$ и $\frac{1}{2}$ .

$8 (\arcsin (\frac{x}{4}) - \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))}{2}) + C$

Этап 19.2

Применим свойство дистрибутивности.

$8 \arcsin (\frac{x}{4}) + 8 (- \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))}{2}) + C$

Этап 19.3

Сократим общий множитель $2$ .

Нажмите для увеличения количества этапов...

Этап 19.3.1

Перенесем стоящий впереди знак минуса в $- \frac{\sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))}{2}$ в числитель.

$8 \arcsin (\frac{x}{4}) + 8 \frac{- \sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))}{2} + C$

Этап 19.3.2

Вынесем множитель $2$ из $8$ .

$8 \arcsin (\frac{x}{4}) + 2 (4) \frac{- \sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))}{2} + C$

Этап 19.3.3

Сократим общий множитель.

$8 \arcsin (\frac{x}{4}) + 2 \cdot 4 \frac{- \sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))}{2} + C$

Этап 19.3.4

Перепишем это выражение.

$8 \arcsin (\frac{x}{4}) + 4 (- \sin (2 \arcsin (\frac{x}{4}))) + C$

Этап 19.4

Умножим $- 1$ на $4$ .

$8 \arcsin (\frac{x}{4}) - 4 \sin (2 \arcsin (\frac{x}{4})) + C$

Этап 20

Изменим порядок членов.

$8 \arcsin (\frac{1}{4} x) - 4 \sin (2 \arcsin (\frac{1}{4} x)) + C$

Этап 21

Ответ ― первообразная функции $f (x) = \frac{x^{2}}{\sqrt{16 - x^{2}}}$ .

$F (x) =$ $8 \arcsin (\frac{1}{4} x) - 4 \sin (2 \arcsin (\frac{1}{4} x)) + C$