Alcune sostituzioni utili nella ricerca di primitive (L.V.) In ciò che segue, R denota una funzione razionale (cioè rapporto di due polinomi) in una o più variabili, P è un polinomio. (Per esempio, la funzione P (x, y) = x3 y − 2x + 5xy 3 + 12 è un polinomio in due variabili di grado 4.) Le sostituzioni segnate con “•” sono considerate basilari e vanno imparate. • • • ◦ R R(ax ) dx (0 < a 6= 0). x Sostituzione R a 1= t. Esempio: ex +e−x dx . R √ R( q x) dx. √ q Sostituzione x = t. R p1 /q1 pk /qk Anche R(x , . . . , x√ ) dx (pi , qi interi) rientra in questo tipo: si osservi che pi /qi q x è una potenza di √x dove q è il minor comune multiplo dei numeri q1 , . . . , qk . R R √ x dx. Esempi: 1+1√x dx, 2 3 x+3 R R R(tan x) dx, P (log x) dx. Sostituzione: indovinatela! R R Esempi: (log2 x − log x − 7) dx, tan3 x dx. R R(cos2 x, sin2 x, sin x cos x, tan x, cot x) dx. Sostituzione tan x = s. Se x ∈ (−π/2, π/2), si ha x = arctan s, per cui: dx = s21+1 ds, 2 • ◦ 2 2 x s cos2 x = s21+1 (segue da s2 = 1−cos cos2 x ), da cui: sin x = s2 +1 , sin x cos x = tan x · cos2 x = s2s+1 , cot x = 1s . Questa sostituzione di solito risulta più semplice della seguente sostituzione “universale”. R tan x Esempio: 1+sin 2 x dx. R R(sin x, cos x) dx. Sostituzione tan x2 = t. Se x ∈ (−π, π), si ha x = 2 arctan t, per cui (usando il caso precedente): 2 dx = 1+t 2 dt, sin x = 2 sin(x/2) cos(x/2) = R Esempio: sin1 x dx. R R q q ax+b cx+d Sostituzione dx. q q ax+b cx+d 2t 1+t2 , cos x = cos2 (x/2) − sin2 (x/2) = = t. 1 1−t2 1+t2 . p1 /q1 R ax+b pk /qk Inoltre, le primitive R ax+b , . . . , dx possono essere trattate cocx+d cx+d me nel secondo punto sopra. √ R 2k+1 √ R 2k+1 √ R x R x2 − a2 dx , x R x2 + a2 dx. ◦ x2k+1 R a2 − x2 dx , Sicuramente troverete da √ soli come trasformare questi integrali (e, più in generale, R quelli del tipo √ x R(x2 , a2 − x2 ) dx) in integrali di funzioni razionali. R Esempio: x3 2x2 + 3 dx. √ √ √ R R R R x, x2 − a2 dx , R x, x2 + a2 dx. ◦ R x, a2 − x2 dx , È possibile sfruttare le ben note relazioni cos2 t + sin2 t = 1 e Ch2 (t) − Sh2 (t) = 1, sostituendo sin t, x R= a Ch(t), x = a Sh(t). √ R √rispettivamente R x =2a3/2 2 2 2 Esempi: 1 − x dx, (2 + x ) dx, x x − 4 dx. R p ◦ R x, ±(x2 + px + q) dx. 2 Osservando che x2 + px + q = (x + p2 )2 + (q − p4 ), possiamo operare la sostituzione x + p2 = t per ricondurci al caso precedente. √ R√ R 2 Esempi: x2 + 2x + 2 dx, (x + 3) 3 − 4x − 4x2 dx. R ◦ xm (a + bxn )p dx dove m, n, p sono razionali (“integrale binomio”). m1 a) Se p è intero, si tratta di una funzione razionale in xm e xn ; perciò, se m = m , 2 n1 1/q n = n2 (mi , ni interi), basta porre x = t dove q è il minore comune multiplo di m2 , n2 . r n 1/s b) Se m+1 = t conduce alla n è intero e p = s (r, s interi), la sostituzione (a + bx ) ricerca di primitiva di una funzione razionale. √ 3/7 R Esempio: (1−2x√x) dx. x c) Se non siamo nel caso b), possiamo provare a ricondurre il problema al caso b) facendo sostituzione x = 1/t. È facile far vedere che questo è possibile se e solo intero. se m+1 n + p è√ 4 3 R 3 1+ √ x √ Esempio: dx. 2 4 3 x x ——— Per poter utilizzare le sostituzioni trattate sopra, bisogna saper integrare le funzioni razionali (v. le esercitazioni del corso). L’argomento è anche trattato su moltissimi libri; ne indichiamo soltanto alcuni. V. E. Bononcini, Esercizi di Analisi Matematica, vol. 2, pp. 196–200. F. Buzzetti, E. Grassini Raffaglio & A. Vasconi Ajroldi, Esercizi di Analisi Matematica I, parte seconda, pp. 31–33, 36–37. L. De Biase, R. Fumagalli & C. Zanco, Esercizi e Complementi di Analisi Matematica, pp. 280–290. B. P. Demidovič, Esercizi e Problemi di Analisi Matematica, pp. 117–122. P. Marcellini & C. Sbordone, Analisi Matematica uno, pp. 329–334 (solo il caso di denominatore quadratico). 2