Matematika/Trigonometrinių funkcijų integravimas

Iš testwiki.
Pereiti į navigaciją Jump to search

I. Integralai ∫sinmxcosnxdx, kur m, n - sveikieji skaičiai, suvedami į integralą su binominiu diferencialu ir integruojami tik 3 atvejais:

1)n nelyginis;
2)m nelyginis;
3)m+n lyginis.

Jei n nelyginis, taikome keitinį sin⁡x=t, jei m nelyginis, taikome keitinį cos⁡x=t; jei m+n lyginis, keičiame tan⁡x=t; sin⁡x=t1+t2;cos⁡x=11+t2;dx=dt1+t2.

Pavyzdžiai

  • ∫dx5cos2x+9sin2x.tan⁡x=t;sin⁡x=t1+t2;cos⁡x=11+t2;dx=dt1+t2.

∫dt1+t25(11+t2)2+9(t1+t2)2=∫dt5+9t2=135arctan⁡3t5+C.

  • ∫cos4xsin2xdx=∫(1−sin2x)2sin2xdx=∫(1sin2x−2+sin2x)dx=−cot⁡x−2x+12∫(1−cos⁡(2x))dx=

=−cot⁡x−3x2−sin⁡(2x)4+C.

  • ∫sin2xcos6xdx. Skaičiai m ir n lyginiai, m=2, n=−6, m+n=−4 lyginis, todėl taikome keitnį tan⁡x=t; sin2x=t21+t2; cos⁡x=11+t2; cos6x=1(1+t2)3; dx=dt1+t2.
∫sin2xcos6xdx=∫t21+t2⋅dt1+t21(1+t2)3=∫t2dt(1+t2)21(1+t2)3=∫t2(1+t2)2⋅(1+t2)3dt=∫t2(1+t2)dt=t33+t55+C=tan3x3+tan5x5+C.


  • Apskaičiuosime integralą ∫sin⁡xcos⁡xdxsin4x+cos4x.
Kadangi pointegralinė funkcija nekeičia reikšmės, kai kartu keičiami sin⁡x ir cos⁡x ženklai, tai pagal tam tikras taisykles, pakeitę t=tan⁡x, gauname
∫sin⁡xcos⁡xdxsin4x+cos4x=∫t1+t211+t2dt1+t2t4(1+t2)2+1(1+t2)2=∫t(1+t2)2dtt4+1(1+t2)2=∫tdtt4+1=12∫d(t2)(t2)2+1=12arctan⁡(t2)+C=12arctan⁡(tan2x)+C,
kur sin4x=t4(1+t2)2,cos4x=1(1+t2)2,dx=dt1+t2.


II.Integralai ∫sin⁡xcos⁡xdx (be laipnsių) suvedami į racionaliųjų funkcijų integralus keitiniu tan⁡x2=t. Tada sin⁡x=2t1+t2;cos⁡x=1−t21+t2;dx=2dt1+t2.

Pavyzdžiai

  • ∫dx3+sin⁡x+cos⁡x. tan⁡x2=t; x2=arctan⁡t; x=2arctan⁡t; sin⁡x=2t1+t2; cos⁡x=1−t21+t2; dx=d(2arctan⁡t)=2dt1+t2.

∫dx3+sin⁡x+cos⁡x=∫2dt1+t23+2t1+t2+1−t21+t2=∫2dt1+t22(t2+t+2)1+t2=∫dtt2+t+2=∫dt(t+12)2+74= =27arctan⁡2t+17+C=27arctan⁡2tan⁡x2+17+C.


  • ∫cot⁡xdx1−sin⁡x−cos⁡x=∫cos⁡xdxsin⁡x(1−sin⁡x−cos⁡x)=∫1−t21+t2⋅2dt1+t22t1+t2(1−2t1+t2−1−t21+t2)=

=∫2(1−t2)dt(1+t2)22t+2t3−4t2−2t+2t3(1+t2)2=∫2(1−t)(1+t)dt4t3−4t2=∫2(1−t)(1+t)dt−4t2(1−t)=−12∫(1t2+1t)dt=12(cot⁡x2−ln⁡|tan⁡x2|)+C, kur tan⁡x2=t;sin⁡x=2t1+t2;cos⁡x=1−t21+t2;dx=2dt1+t2.


III. Integralams ∫R(x,a2−x2)dx=∫x±1(a2−x2)±1dx taikomi ketiniai x=asin⁡t, x=atan⁡t arba x=asin⁡t.

Pavyzdžiai

  • ∫x9−x2dx=∫3sin⁡t9−9sin2t⋅3cos⁡tdt=27∫sin⁡t1−sin2t⋅cos⁡tdt=

=27∫sin⁡tcos⁡tcos⁡tdt=−27∫cos2td(cos⁡t)=−27cos3t3+C=−9(1−sin2t)1−sin2t+C= =−9(1−x232)1−x232+C=−13(9−x2)9−x2+C, kur 3sin⁡t=x; sin⁡t=x3; dx=3cos⁡tdt.

  • ∫dxxa2+x2=∫adtacos2t⋅tan⁡ta2+a2tan2t=∫adta2cos2t⋅tan⁡t1+tan2t=∫cos⁡tdtacos2t⋅tan⁡t=1a∫dtsin⁡t=

=1aln⁡|1−cos⁡tsin⁡t|+C=1aln⁡|1sin⁡t−cot⁡t|+C=1aln⁡|a2+x2−ax|+C,

kur x=atan⁡t; dx=acos2t; tan⁡t=xa; cot⁡t=ax; 1sin⁡t=1+cot2t=a2+x2x; 1+tan2t=1cos2t.

Integravimas tam tikrų klasių trigonometrinių funkcijų

∫R(sin⁡x,cos⁡x)𝖽x=∫R(2t1+t2,1−t21+t2)2𝖽t1+t2.

Imamas keitinys tan⁡x2=t,−π<x<π.
Funkcijos sin⁡(x) ir cos⁡(x) išreiškiamos per tangentą tan⁡x2 ir taip išreiškiamos per t.
sin⁡x=2sin⁡x2cos⁡x21=2sin⁡x2cos⁡x2sin2x2+cos2x2=2(sin⁡x2cos⁡x2)/cos2x2(sin2x2+cos2x2)/cos2x2=2tan⁡x2tan2x2+1=2t1+t2,
cos⁡x=cos2x2−sin2x21=cos2x2−sin2x2sin2x2+cos2x2=(cos2x2−sin2x2)/cos2x2(sin2x2+cos2x2)/cos2x2=1−tan2x2tan2x2+1=1−t21+t2.
Toliau
x2=arctan⁡t,x=2arctan⁡t,𝖽x=2𝖽t1+t2.

Pavyzdžiai

  • ∫dxsin⁡x=∫2𝖽t1+t22t1+t2=dtt=ln⁡|t|+C=ln⁡|tan⁡x2|+C.
  • ∫𝖽x1+sin⁡x=∫2𝖽t1+t21+2t1+t2=∫2𝖽t(1+t2)1+t2+2t1+t2=∫2𝖽tt2+2t+1=∫2𝖽t(t+1)2=
=∫2𝖽(t+1)(t+1)2=−2t+1+C=−2tan⁡x2+1+C1.
  • ∫𝖽x9+8cos⁡x+sin⁡x=∫2𝖽t(1+t2)(9+8⋅1−t21+t2+2t1+t2)=∫2𝖽t(1+t2)⋅9(1+t2)+8(1−t2)+2t1+t2=
=∫2𝖽t9(1+t2)+8(1−t2)+2t=2∫𝖽t9+9t2+8−8t2+2t=2∫𝖽tt2+2t+17=2∫𝖽t(t+1)2+16=
=2∫𝖽t16((t+1)216+1)=2∫4𝖽(t+14)16((t+14)2+1)=12∫𝖽(t+14)(t+14)2+1=12arctan⁡t+14+C=12arctan⁡tan⁡x2+14+C,
kur 𝖽(t+14)=𝖽t4;𝖽t=4𝖽(t+14).


  • ∫1+sin⁡xsin⁡x(1+cos⁡x)dx=∫(1+2t1+t2)2𝖽t1+t22t1+t2(1+1−t21+t2)=∫1+t2+2t1+t22𝖽t1+t22t1+t2(1+t21+t2+1−t21+t2)=∫2⋅t2+2t+1(1+t2)2𝖽t2t1+t2⋅21+t2=∫2(t2+2t+1)𝖽t4t=12∫(t+2+1t)𝖽t=.
=12(t22+2t+ln⁡t)+C=t24+t+12ln⁡t+C=tan2x24+tan⁡x2+12ln⁡tan⁡x2+C.

Integravimas tam tikrų klasių trigonometrinių funkcijų 4)

Jeigu pointegralinė funkcija turi pavidalą R(sin⁡(x),cos⁡(x)), bet sin⁡x ir cos⁡x turi tik lyginius laipsnius, tai daromas keitinys:

tan⁡x=t,
x=arctan⁡t,
nes sin2x ir cos2x išsireiškia racionaliai per tan⁡x:
cos2x=12(1+1−tan2x1+tan2x)=12⋅1+tan2x+1−tan2x1+tan2x=12⋅21+tan2x=11+tan2x=11+t2, arba

cos2x=cos2xcos2x+sin2x=1cos2x+sin2xcos2x=11+tan2x=11+t2;

sin2x=12(1−1−tan2x1+tan2x)=12⋅1+tan2x−(1−tan2x)1+tan2x=12⋅2tan2x1+tan2x=tan2x1+tan2x=t21+t2, arba

sin2x=sin2xcos2x+sin2x=sin2xcos2xcos2x+sin2xcos2x=tan2x1+tan2x=t21+t2;

𝖽x=𝖽(arctan⁡t)=𝖽t1+t2.

Pavyzdžiai

  • ∫𝖽x2−sin2x=∫𝖽t(2−t21+t2)(1+t2)=∫𝖽t(2(1+t2)−t21+t2)(1+t2)=∫𝖽t(2+2t2−t21+t2)(1+t2)=
=∫𝖽t2+t2=∫12arctan⁡t2+C=12arctan⁡(tan⁡x2)+C.
Patikriname
𝖽𝖽x(12arctan⁡(tan⁡x2)+C)=12𝖽𝖽x(arctan⁡(tan⁡x2)).
Turime, kad 𝖽𝖽uarctan⁡u=11+u2, kur u=tan⁡x2 ir 𝖽𝖽x(tan⁡x2)=12cos2x. Todėl
12𝖽𝖽u(arctan⁡u)𝖽𝖽x(tan⁡x)=1211+u212cos2x=1211+(tan⁡x2)212cos2x=1211+tan2x212cos2x=
=1222+tan2x1cos2x=1222+sin2xcos2x1cos2x=1222cos2x+sin2xcos2x1cos2x=122cos2x2cos2x+sin2x1cos2x=1222cos2x+sin2x=
=12(1−sin2x)+sin2x=12−2sin2x+sin2x=12−sin2x.

Taip pat skaitykite