6.3: Тригонометричні інтеграли
Функції, що включають тригонометричні функції, корисні, оскільки вони добре описують періодичну поведінку. У цьому розділі описано кілька методик знаходження антипохідних певних комбінацій тригонометричних функцій.
Інтеграли виду∫sinmxcosnx dx
Вивчаючи техніку підстановки, ми побачили інтеграл∫sinxcosx dx в прикладі 6.1.4. Інтеграція не була складною, і можна було легко оцінити невизначений інтеграл, дозволяючиu=sinx або дозволяючиu=cosx. Цей інтеграл простий, оскільки потужність як синуса, так і косинуса дорівнює 1.
Узагальнено цей інтеграл і розглянуто інтеграли виду∫sinmxcosnx dx, деm,n невід'ємні цілі числа. Наша стратегія оцінки цих інтегралів полягає у використанні ідентичностіcos2x+sin2x=1 для перетворення високих ступенів однієї тригонометричної функції в іншу, залишаючи один синус або косинус член в цілісному. Ми узагальнюємо загальну техніку в наступній Key Idea.
Ключова ідея 11: Інтеграли, що включають сили синуса та косинуса
Розглянемо∫sinmxcosnx dx, деm,n знаходяться невід'ємні цілі числа.
- Якщоm непарне, тоm=2k+1 для деякого цілого числаk. Переписати $\ sin^mx =\ sin^ {2k+1} х =\ sin^ {2k} х\ sin x = (\ sin^2x) ^k\ sin x = (1-\ cos^2x) ^k\ sin x.$$ Тоді $\ int\ sin^mx\ cos^nx =\ int (1-\ cos^2x) ^k\ sin x\ cos^nx\ dx = -\ int (1-u^2) ^ku^n\ du, $ деu=cosx іdu=−sinx dx.
- Якщоn непарно, то використовуючи заміни, подібні до описаних вище, ми маємо int sinmx cosnx dx= intum(1−u2)k du, деu=sinx іdu=cosx dx.
- Якщо обидваm іn парні, використовуйте тотожності зменшення потужності cos2x= frac1+ cos(2x)2 quad textі quad sin2x= frac1− cos(2x)2 для зменшення ступеня інтеграції. Розгорніть результат і знову застосуйте принципи цієї ключової ідеї.
Ми практикуємо застосування Key Idea 11 в наступних прикладах.
Приклад6.3.1: Integrating powers of sine and cosine
Оцініть∫sin5xcos8x dx.
Рішення
Потужність синусоїда непарна, тому ми переписуємоsin5x як
sin5x=sin4xsinx=(sin2x)2sinx=(1−cos2x)2sinx.
Наш невід'ємний зараз∫(1−cos2x)2cos8xsinx dx. Нехайu=cosx, отжеdu=−sinx dx. Здійснення заміщення та розширення цілісності дає
∫(1−cos2)2cos8xsinx dx=−∫(1−u2)2u8 du=−∫(1−2u2+u4)u8 du=−∫(u8−2u10+u12) du.
Цей кінцевий інтеграл не складно оцінити, даючи
−∫(u8−2u10+u12) du=−19u9+211u11−113u13+C=−19cos9x+211cos11x−113cos13x+C.
Приклад6.3.2: Integrating powers of sine and cosine
Оцініть∫sin5xcos9x dx.
Рішення
Потужності як синусоїдів, так і косинусів непарні, тому ми можемо застосувати методи Key Idea 11 до будь-якої потужності. Ми вирішили працювати з силою терміна косинуса, оскільки в попередньому прикладі використовувалася сила синусоїда.
Переписуємоcos9x як
cos9x=cos8xcosx=(cos2x)4cosx=(1−sin2x)4cosx=(1−4sin2x+6sin4x−4sin6x+sin8x)cosx.
Переписуємо інтеграл як
∫sin5xcos9x dx=∫sin5x(1−4sin2x+6sin4x−4sin6x+sin8x)cosx dx.
Тепер підставляємо і інтегруємо, використовуючиu=sinx іdu=cosx dx.
∫u5(1−4u2+6u4−4u6+u8) du=∫(u5−4u7+6u9−4u11+u13) du=16u6−12u8+35u10−13u12+114u14+C=16sin6x−12sin8x+35sin10x+…=−13sin12x+114sin14x+C.
Примітка технології: Робота, яку ми тут виконуємо, може бути трохи стомлюючою, але важливі навички (вирішення проблем, алгебраїчні маніпуляції тощо). У наш час проблеми такого роду часто вирішуються за допомогою системи комп'ютерної алгебри. Потужна програма Mathematica інтегрується∫sin5xcos9x dx як
f(x)=−45cos(2x)16384−5cos(4x)8192+19cos(6x)49152+cos(8x)4096−cos(10x)81920−cos(12x)24576−cos(14x)114688,
який явно має іншу форму, ніж наша відповідь у6.3.2 прикладі, який
g(x)=16sin6x−12sin8x+35sin10x−13sin12x+114sin14x.
На малюнку6.3.1 зображений графікf іg; вони явно не рівні, але відрізняються лише константою. Тобтоg(x)=f(x)+C для якоїсь постійноїC. Таким чином, у нас є два різних антипохідних однієї функції, тобто обидві відповіді є правильними.
Малюнок6.3.1: Сюжетf(x) іg(x) з Прикладу6.3.2 та Технологічної Примітки.
Приклад6.3.3: Integrating powers of sine and cosine
Оцініть∫cos4xsin2x dx.
Рішення
Синус і косинус однакові, тому ми використовуємо формули зменшення потужності і алгебру наступним чином.
∫cos4xsin2x dx=∫(1+cos(2x)2)2(1−cos(2x)2) dx=∫1+2cos(2x)+cos2(2x)4⋅1−cos(2x)2 dx=∫18(1+cos(2x)−cos2(2x)−cos3(2x)) dx
cos(2x)Термін легко інтегрується, особливо з Key Idea 10. cos2(2x)Термін - це ще один тригонометричний інтеграл з рівною потужністю, що вимагає формули зменшення потужності знову. cos3(2x)Термін - це косинусна функція з непарною потужністю, що вимагає заміни, як це робилося раніше. Ми інтегруємо кожен по черзі нижче.
∫cos(2x) dx=12sin(2x)+C.
∫cos2(2x) dx=∫1+cos(4x)2 dx=12(x+14sin(4x))+C.
Нарешті, переписуємоcos3(2x) як
cos3(2x)=cos2(2x)cos(2x)=(1−sin2(2x))cos(2x).
Відпускаючиu=sin(2x), у насdu=2cos(2x) dx, звідси
∫cos3(2x) dx=∫(1−sin2(2x))cos(2x) dx=∫12(1−u2) du=12(u−13u3)+C=12(sin(2x)−13sin3(2x))+C
Збираючи всі шматки воєдино, у нас є
∫cos4xsin2x dx=∫18(1+cos(2x)−cos2(2x)−cos3(2x)) dx=18[x+12sin(2x)−12(x+14sin(4x))−12(sin(2x)−13sin3(2x))]+C=18[12x−18sin(4x)+16sin3(2x)]+C
Процес вище був трохи довгим і нудним, але можливість працювати з такою проблемою, як це, від початку до кінця важливо.
Інтеграли виду∫sin(mx)sin(nx) dx,∫cos(mx)cos(nx) dx, і∫sin(mx)cos(nx) dx.
Функції, які містять продукти синусів і косинусів різних періодів, важливі в багатьох додатках, включаючи аналіз звукових хвиль. Інтеграли виду
∫sin(mx)sin(nx) dx,∫cos(mx)cos(nx) dxand∫sin(mx)cos(nx) dx
найкраще підходити, застосувавши формули продукту до суми, знайдені на задній обкладинці цього тексту, а саме
sin(mx)sin(nx)=12[cos((m−n)x)−cos((m+n)x)]cos(mx)cos(nx)=12[cos((m−n)x)+cos((m+n)x)]sin(mx)cos(nx)=12[sin((m−n)x)+sin((m+n)x)]
Приклад6.3.4: Integrating products of sin(mx) and cos(nx)
Оцініть∫sin(5x)cos(2x) dx.
Рішення
Застосування формули та подальша інтеграція прості:
∫sin(5x)cos(2x) dx=∫12[sin(3x)+sin(7x)] dx=−16cos(3x)−114cos(7x)+C
Інтеграли виду∫tanmxsecnx dx.
При оцінці інтегралів виду∫sinmxcosnx dx теорема Піфагора дозволила нам перетворювати парні сили синуса в парні сили косинуса, і навпаки. Якщо, наприклад, сила синуса була непарною, ми витягнули одинsinx і перетворили решту парної потужностіsinx в функцію, використовуючи повноваженняcosx, що призводить до легкої заміни.
Та ж базова стратегія відноситься і до інтегралів форми∫tanmxsecnx dx, хоча і трохи більш нюансованих. Наступні три факти виявляться корисними:
- ddx(tanx)=sec2x,
- ddx(secx)=secxtanx, і
- 1+tan2x=sec2x(Теорема Піфагора).
Якщо integrand можна маніпулювати, щоб розділитиsec2x термін з рештою секантної влади навіть, або якщоsecxtanx термін може бути розділений з рештоюtanx влади навіть, теорема Піфагора може бути використана, що призводить до простої підміни. Ця стратегія викладена в наступній Key Idea.
Ключова ідея 12: Інтеграли, що включають сили дотичної та секансної
Розглянемо∫tanmxsecnx dx, деm,n знаходяться невід'ємні цілі числа.
- Якщоn парне, тоn=2k для деякого цілого числаk. Перепишітьsecnx як $\ сек^nx =\ сек^ {2k} х =\ сек^ {2k-2} х\ сек^2x = (1+\ tan^2x) ^ {k-1}\ сек^2x.$$ Потім $\ int\ tan^mx\ sec^nx\ dx=\ int\ tan^mx (1+\ tan^2x) ^ {k-1} сек^2x\ dx =\ int u^m (1+u^2) ^ {k-1}\ du, $ деu=tanx іdu=sec2x dx.
- Якщоm непарне, тоm=2k+1 для деякого цілого числаk. Перепишітьtanmxsecnx як $\ tan^mx\ сек ^ nx =\ tan^ {2k+1} х\ сек^nx =\ tan^ {2k} х\ сек^ {n-1} х\ сек х\ сек x\ tan x = (\ сек^2x-1) ^k\ sec^ {n-1} х\ сек х\ tan x.$$ Тоді $\ int\ tan ^ mx\ сек ^ x\ dx=\ int (\ сек^2x-1) ^k\ сек^ {n-1} х\ сек х\ тан х\ dx =\ int (u^2-1) ^ku^ {n-1}\ du, $ деu=secx іdu=secxtanx dx.
- Якщоn непарне іm парне, тоm=2k для деякого цілого числаk. Перетворитиtanmx на(sec2x−1)k. Розгорніть новий integrand і використовуйте інтеграцію по частинам, зdv=sec2x dx.
- Якщоm парний іn=0, перепишітьtanmx як $\ tan^mx =\ tan^ {м-2} х\ tan^2x =\ tan^ {м-2} х (\ сек ^ 2x-1) =\ tan^ {м-2}\ sec^2x-\ tan^ {м-2} x.Так\ int\ tan^mx\ dx =\ underbrace {\ int\ tan^ {м-2} x.$ Так $\ int\ tan^mx\ dx =\ underbrace {\ int\ tan^ {м-2} x.$ Так $\ int\ tan 2}\ sec^2x\ dx} _ {\ text {\ мале застосувати правило\ #1}}\ quad -\ underbrace {\ int\ tan^ {м-2} x\ dx} _ {\ text {\ маленьке застосувати правило\ # 4 знову}} . $$
Методи, описані в пунктах 1 і 2 Key Idea 12, відносно прості, але прийоми в пунктах 3 і 4 можуть бути досить виснажливими. Кілька прикладів допоможуть з цими методами.
Приклад6.3.5: Integrating powers of tangent and secant
Оцініть∫tan2xsec6x dx.
Рішення
Оскільки сила секансу рівна, ми використовуємо правило #1 з Key Idea 12 і витягуємо asec2x в integrand. Решта степеней секансу перетворюємо в сили дотичної.
∫tan2xsec6x dx=∫tan2xsec4xsec2x dx=∫tan2x(1+tan2x)2sec2x dx
Тепер підставляємо, зu=tanx, сdu=sec2x dx.
=∫u2(1+u2)2 du
Ми залишаємо інтеграцію і подальшу підміну читачеві. Остаточна відповідь:
=13tan3x+25tan5x+17tan7x+C.
Приклад6.3.6: Integrating powers of tangent and secant
Оцініть∫sec3x dx.
Рішення
Ми застосовуємо правило #3 з Key Idea 12, оскільки сила секанса непарна, а сила тангенса парна (0 - парне число). Ми використовуємо інтеграцію частинами; правило пропонує дозволитиdv=sec2x dx, це означає, щоu=secx.
u=secxv=?du=?dv=sec2x dx
Малюнок6.3.2: Налаштування інтеграції по частинам.
Використовуючи інтеграцію частинами, ми маємо
∫sec3x dx=∫secx⏟u⋅sec2x dx⏟dv=secxtanx−∫secxtan2x dx.
Цей новий інтеграл також вимагає застосування правила\ #3 Key Idea:
=secxtanx−∫secx(sec2x−1) dx=secxtanx−∫sec3x dx+∫secx dx=secxtanx−∫sec3x dx+ln|secx+tanx|
У попередніх програмах інтеграції частинами ми бачили, де оригінальний інтеграл знову з'явився в нашій роботі. Ми вирішуємо це шляхом додавання∫sec3x dx до обох сторін, даючи:
2∫sec3x dx=secxtanx+ln|secx+tanx|∫sec3x dx=12(secxtanx+ln|secx+tanx|)+C
Наведемо ще один приклад.
Приклад6.3.7: Integrating powers of tangent and secant
Оцініть∫tan6x dx.
Рішення
Ми використовуємо правило #4 Ключової ідеї 12.
∫tan6x dx=∫tan4xtan2x dx=∫tan4x(sec2x−1) dx=∫tan4xsec2x dx−∫tan4x dx
Інтегруйте перший інтеграл із заміноюu=tanx; інтегруйте другий, використовуючи правило #4 знову.
=15tan5x−∫tan2xtan2x dx=15tan5x−∫tan2x(sec2x−1) dx=15tan5x−∫tan2xsec2x dx+∫tan2x dx
Знову ж таки, використовуйте підстановку для першого інтеграла і правило\ #4 для другого.
=15tan5x−13tan3x+∫(sec2x−1) dx=15tan5x−13tan3x+tanx−x+C.
Ці останні приклади, безумовно, були довгими, з неодноразовим застосуванням одного і того ж правила. Намагайтеся не перевантажувати довжину проблеми, а краще захоплюйтеся тим, наскільки надійним є цей метод рішення. Тригонометрична функція великої потужності може систематично зводитися до тригонометричних функцій нижчих ступенів до тих пір, поки не будуть обчислені всі антипохідні.
У наступному розділі представлена методика інтеграції, відома як тригонометрична заміна, розумна комбінація заміщення та теорема Піфагора.