Integral von $$$\frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}}$$$
Verwandter Rechner: Rechner für bestimmte und uneigentliche Integrale
Ihre Eingabe
Bestimme $$$\int \frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}}\, dx$$$.
Lösung
Sei $$$x=2 \cosh{\left(u \right)}$$$.
Dann $$$dx=\left(2 \cosh{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = 2 \sinh{\left(u \right)} du$$$ (die Schritte sind » zu sehen).
Somit folgt, dass $$$u=\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$.
Der Integrand wird zu
$$$\frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}} = \frac{\sqrt{4 \cosh^{2}{\left( u \right)} - 4}}{16 \cosh^{4}{\left( u \right)}}$$$
Verwenden Sie die Identität $$$\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1 = \sinh^{2}{\left( u \right)}$$$:
$$$\frac{\sqrt{4 \cosh^{2}{\left( u \right)} - 4}}{16 \cosh^{4}{\left( u \right)}}=\frac{\sqrt{\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1}}{8 \cosh^{4}{\left( u \right)}}=\frac{\sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}}}{8 \cosh^{4}{\left( u \right)}}$$$
Setzen wir $$$\sinh{\left( u \right)} \ge 0$$$ voraus, so erhalten wir Folgendes:
$$$\frac{\sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}}}{8 \cosh^{4}{\left( u \right)}} = \frac{\sinh{\left( u \right)}}{8 \cosh^{4}{\left( u \right)}}$$$
Das Integral wird zu
$${\color{red}{\int{\frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{4 \cosh^{4}{\left(u \right)}} d u}}}$$
Wende die Konstantenfaktorregel $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ mit $$$c=\frac{1}{4}$$$ und $$$f{\left(u \right)} = \frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh^{4}{\left(u \right)}}$$$ an:
$${\color{red}{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{4 \cosh^{4}{\left(u \right)}} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh^{4}{\left(u \right)}} d u}}{4}\right)}}$$
Multiplizieren Sie Zähler und Nenner mit $$$\cosh^{2}{\left( u \right)}$$$ und wandeln Sie $$$\frac{\sinh^{2}{\left( u \right)}}{\cosh^{2}{\left( u \right)}}$$$ in $$$\tanh^{2}{\left( u \right)}$$$ um:
$$\frac{{\color{red}{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh^{4}{\left(u \right)}} d u}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\int{\frac{\tanh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh^{2}{\left(u \right)}} d u}}}}{4}$$
Sei $$$v=\tanh{\left(u \right)}$$$.
Dann $$$dv=\left(\tanh{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = \operatorname{sech}^{2}{\left(u \right)} du$$$ (die Schritte sind » zu sehen), und es gilt $$$\operatorname{sech}^{2}{\left(u \right)} du = dv$$$.
Somit,
$$\frac{{\color{red}{\int{\frac{\tanh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh^{2}{\left(u \right)}} d u}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\int{v^{2} d v}}}}{4}$$
Wenden Sie die Potenzregel $$$\int v^{n}\, dv = \frac{v^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ mit $$$n=2$$$ an:
$$\frac{{\color{red}{\int{v^{2} d v}}}}{4}=\frac{{\color{red}{\frac{v^{1 + 2}}{1 + 2}}}}{4}=\frac{{\color{red}{\left(\frac{v^{3}}{3}\right)}}}{4}$$
Zur Erinnerung: $$$v=\tanh{\left(u \right)}$$$:
$$\frac{{\color{red}{v}}^{3}}{12} = \frac{{\color{red}{\tanh{\left(u \right)}}}^{3}}{12}$$
Zur Erinnerung: $$$u=\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$:
$$\frac{\tanh^{3}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{12} = \frac{\tanh^{3}{\left({\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(\frac{x}{2} \right)}}} \right)}}{12}$$
Daher,
$$\int{\frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}} d x} = \frac{2 \left(\frac{x}{2} - 1\right)^{\frac{3}{2}} \left(\frac{x}{2} + 1\right)^{\frac{3}{2}}}{3 x^{3}}$$
Vereinfachen:
$$\int{\frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}} d x} = \frac{\left(x - 2\right)^{\frac{3}{2}} \left(x + 2\right)^{\frac{3}{2}}}{12 x^{3}}$$
Fügen Sie die Integrationskonstante hinzu:
$$\int{\frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}} d x} = \frac{\left(x - 2\right)^{\frac{3}{2}} \left(x + 2\right)^{\frac{3}{2}}}{12 x^{3}}+C$$
Antwort
$$$\int \frac{\sqrt{x^{2} - 4}}{x^{4}}\, dx = \frac{\left(x - 2\right)^{\frac{3}{2}} \left(x + 2\right)^{\frac{3}{2}}}{12 x^{3}} + C$$$A