Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

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 видуsinmxcosnx dx

Вивчаючи техніку підстановки, ми побачили інтегралsinxcosx 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 видуsinmxcosnx 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

Розглянемоsinmxcosnx dx, деm,n знаходяться невід'ємні цілі числа.

  1. 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.
  2. Якщоn непарно, то використовуючи заміни, подібні до описаних вище, ми маємо  int sinmx cosnx dx= intum(1u2)k du, деu=sinx іdu=cosx dx.
  3. 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

Оцінітьsin5xcos8x dx.

Рішення

Потужність синусоїда непарна, тому ми переписуємоsin5x як

sin5x=sin4xsinx=(sin2x)2sinx=(1cos2x)2sinx.

Наш невід'ємний зараз(1cos2x)2cos8xsinx dx. Нехайu=cosx, отжеdu=sinx dx. Здійснення заміщення та розширення цілісності дає

(1cos2)2cos8xsinx dx=(1u2)2u8 du=(12u2+u4)u8 du=(u82u10+u12) du.

Цей кінцевий інтеграл не складно оцінити, даючи

(u82u10+u12) du=19u9+211u11113u13+C=19cos9x+211cos11x113cos13x+C.

Приклад6.3.2: Integrating powers of sine and cosine

Оцінітьsin5xcos9x 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=(1sin2x)4cosx=(14sin2x+6sin4x4sin6x+sin8x)cosx.

Переписуємо інтеграл як

sin5xcos9x dx=sin5x(14sin2x+6sin4x4sin6x+sin8x)cosx dx.

Тепер підставляємо і інтегруємо, використовуючиu=sinx іdu=cosx dx.

u5(14u2+6u44u6+u8) du=(u54u7+6u94u11+u13) du=16u612u8+35u1013u12+114u14+C=16sin6x12sin8x+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 інтегруєтьсяsin5xcos9x dx як

f(x)=45cos(2x)163845cos(4x)8192+19cos(6x)49152+cos(8x)4096cos(10x)81920cos(12x)24576cos(14x)114688,

який явно має іншу форму, ніж наша відповідь у6.3.2 прикладі, який

g(x)=16sin6x12sin8x+35sin10x13sin12x+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.

альт

Малюнок6.3.1: Сюжетf(x) іg(x) з Прикладу6.3.2 та Технологічної Примітки.

Приклад6.3.3: Integrating powers of sine and cosine

Оцінітьcos4xsin2x dx.

Рішення

Синус і косинус однакові, тому ми використовуємо формули зменшення потужності і алгебру наступним чином.

cos4xsin2x dx=(1+cos(2x)2)2(1cos(2x)2) dx=1+2cos(2x)+cos2(2x)41cos(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)=(1sin2(2x))cos(2x).

Відпускаючиu=sin(2x), у насdu=2cos(2x) dx, звідси

cos3(2x) dx=(1sin2(2x))cos(2x) dx=12(1u2) du=12(u13u3)+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[12x18sin(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 видуsin(mx)sin(nx) dx,cos(mx)cos(nx) dx, іsin(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) dxandsin(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((mn)x)cos((m+n)x)]cos(mx)cos(nx)=12[cos((mn)x)+cos((m+n)x)]sin(mx)cos(nx)=12[sin((mn)x)+sin((m+n)x)]

Приклад6.3.4: Integrating products of sin(mx) and cos(nx)

Оцінітьsin(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 видуtanmxsecnx dx.

При оцінці інтегралів видуsinmxcosnx 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 формиtanmxsecnx dx, хоча і трохи більш нюансованих. Наступні три факти виявляться корисними:

  1. ddx(tanx)=sec2x,
  2. ddx(secx)=secxtanx, і
  3. 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

Розглянемоtanmxsecnx dx, деm,n знаходяться невід'ємні цілі числа.

  1. 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.$$ Потім $\ int\ tan^mx\ sec^nx\ dx=\ int\ tan^mx (1+\ tan^2x) ^ {k-1} сек^2x\ dx =\ int u^m (1+u^2) ^ {k-1}\ du, $ деu=tanx іdu=sec2x dx.
  2. Якщоm непарне, тоm=2k+1 для деякого цілого числаk. Перепишітьtanmxsecnx як $\ tan^mx\ сек ^ nx =\ tan^ {2k+1} х\ сек^nx =\ tan^ {2k} х\ сек^ {n-1} х\ сек х\ сек x\ tan x = (\ сек^2x-1) ^k\ sec^ {n-1} х\ сек х\ tan x.$$ 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.
  3. Якщоn непарне іm парне, тоm=2k для деякого цілого числаk. Перетворитиtanmx на(sec2x1)k. Розгорніть новий integrand і використовуйте інтеграцію по частинам, зdv=sec2x dx.
  4. 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

Оцінітьtan2xsec6x 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

Оцінітьsec3x 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=secxusec2x dxdv=secxtanxsecxtan2x dx.

Цей новий інтеграл також вимагає застосування правила\ #3 Key Idea:

=secxtanxsecx(sec2x1) dx=secxtanxsec3x dx+secx dx=secxtanxsec3x dx+ln|secx+tanx|

У попередніх програмах інтеграції частинами ми бачили, де оригінальний інтеграл знову з'явився в нашій роботі. Ми вирішуємо це шляхом додаванняsec3x dx до обох сторін, даючи:

2sec3x 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

Оцінітьtan6x dx.

Рішення

Ми використовуємо правило #4 Ключової ідеї 12.

tan6x dx=tan4xtan2x dx=tan4x(sec2x1) dx=tan4xsec2x dxtan4x dx

Інтегруйте перший інтеграл із заміноюu=tanx; інтегруйте другий, використовуючи правило #4 знову.

=15tan5xtan2xtan2x dx=15tan5xtan2x(sec2x1) dx=15tan5xtan2xsec2x dx+tan2x dx

Знову ж таки, використовуйте підстановку для першого інтеграла і правило\ #4 для другого.

=15tan5x13tan3x+(sec2x1) dx=15tan5x13tan3x+tanxx+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.

Автори та авторства

  • Was this article helpful?