Методы решения физико-математических задач

Интегрирование произведения степенных функций от sin x и cos x

Интегрирование произведения степеней от sin x и cos x
Показано, что интеграл от произведения степенных функций от sin x и cos x можно привести к интегралу от дифференциального бинома. При целых значениях показателей степени, такие интегралы легко вычисляются по частям или с помощью формул приведения. Дан вывод формул приведения. Приводится пример вычисления такого интеграла.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\DeclareMathOperator{\tg}{tg})() ()(\DeclareMathOperator{\ctg}{ctg})()

Приведение к интегралу от дифференциального бинома

Рассмотрим интегралы вида:
Im, n  = ∫ sin m x cos n x dx

Такие интегралы сводятся к интегралу от дифференциального бинома одной из подстановок t = sin x или t = cos x .

Продемонстрируем это, выполнив подстановку
t = sin x .
Тогда
dt = (sin x)′ dx = cos x dx ;
cos2 x = 1 – sin2 x = 1 – t 2 ;
Im,n  = ∫ sin m x ( cos 2 x  ) n – 12 cos x dx = ∫ t m ( 1 – t 2  ) n – 12  dt

Если m и n – рациональные числа, то следует применять методы интегрирования дифференциального бинома.
Подробнее >>>

Интегрирование с целыми m и n

Далее, рассмотрим случай, когда m и n – целые числа (не обязательно положительные). В этом случае, подынтегральное выражение является рациональной функцией от sin x и cos x . Поэтому можно применить правила, представленные в разделе «Интегрирование тригонометрических рациональных функций».
Подробнее >>>

Однако, учитывая специфические особенности, проще воспользоваться формулами приведения, которые легко получаются интегрированием по частям.

Формулы приведения

Формулы приведения для интеграла
Im, n  = ∫ sin m x cos n x dx
имеют вид:

(m + n )Im, n  = – sin m – 1 x  cos n + 1 x + (m – 1 )Im – 2, n ;
(m + n )Im, n  = sin m + 1 x  cos n – 1 x + (n – 1 )Im, n – 2 ;
(n + 1 )Im, n  = – sin m – 1 x  cos n + 1 x + (m – 1 )Im – 2, n + 2 ;
(m + 1 )Im, n  = sin m + 1 x  cos n – 1 x + (n – 1 )Im + 2, n – 2 .

Их нет необходимости запоминать, поскольку они легко получаются интегрированием по частям.

Доказательство формул приведения

Im, n  = ∫ sin m x cos n x dx = ∫ sin m – 1 x cos n x sin x dx = – ∫ sin m – 1 xcos m – 1 x cos m + n – 1 x d cos x = – ∫ tg m – 1x cos m + n – 1 x d cos x = – 1m + n ∫ tg m – 1x d cos m + n x
Интегрируем по частям. v = cos m + n x,  u = tg m – 1 x,
du = ( tg m – 1 x  ) ′ dx = (m – 1 ) tg m – 2x (tg x ) ′ dx = (m – 1 ) tg m – 2 xcos 2 x  dx = (m – 1 ) sin m – 2 xcos m x  dx
Im, n  = – 1m + n ∫ u dv = – 1m + n [ uv – ∫ v du  ] = – 1m + n [tg m – 1x cos m + n x – (m – 1 ) ⋅ ∫ cos m + n x sin m – 2 xcos m x  dx]= – 1m + n [sin m – 1 x cos n + 1 x – (m – 1 )Im – 2, n ]
Умножая на m + n , получаем первую формулу:
(m + n )Im, n  = – sin m – 1 x  cos n + 1 x + (m – 1 )Im – 2, n

Аналогично получаем вторую формулу.
Im, n  = ∫ sin m x cos n x dx = ∫ sin m x cos n – 1 x cos x dx = ∫ cos n – 1 xsin n – 1 x sin m + n – 1 x d sin x = ∫ ctg n – 1x sin m + n – 1 x d sin x = 1m + n ∫ ctg n – 1x d sin m + n x
Интегрируем по частям. v = sin m + n x,  u = ctg n – 1 x,
du = ( ctg n – 1 x  ) ′ dx = (n – 1 ) ctg n – 2x (ctg x ) ′ dx = – (n – 1 ) ctg n – 2 xsin 2 x  dx = – (n – 1 ) cos n – 2 xsin n x  dx
Im, n  = 1m + n ∫ u dv = 1m + n [ uv – ∫ v du  ] = 1m + n [ctg n – 1x sin m + n x + (n – 1 ) ⋅ ∫ sin m + n x cos n – 2 xsin n x  dx]= 1m + n [cos n – 1 x sin m + 1 x + (n – 1 )Im, n – 2 ]
Умножая на m + n , получаем вторую формулу:
(m + n )Im, n  = sin m + 1 x  cos n – 1 x + (n – 1 )Im, n – 2

Третья формула.
Im, n  = ∫ sin m x cos n x dx = ∫ sin m – 1 x cos n x sin x dx = – ∫ sin m – 1 x cos n x d cos x = – 1n + 1 ∫ sin m – 1 x d cos n + 1 x
Интегрируем по частям. v = cos n + 1 x,  u = sin m – 1 x,
du = ( sin m – 1 x  ) ′ dx = (m – 1 ) sin m – 2 x (sin x ) ′ dx = (m – 1 ) sin m – 2 x cos x dx
Im, n  = – 1n + 1 ∫ u dv = – 1n + 1 [ uv – ∫ v du  ] = – 1n + 1 [sin m – 1 x cos n + 1 x – (m – 1 ) ⋅ ∫ cos n + 1 x sin m – 2 x cos x dx]= – 1n + 1 [sin m – 1 x cos n + 1 x – (m – 1 )Im – 2, n + 2 ]
Умножая на n + 1 , получаем третью формулу:
(n + 1 )Im, n  = – sin m – 1 x  cos n + 1 x + (m – 1 )Im – 2, n + 2

Аналогично, для четвертой формулы.
Im, n  = ∫ sin m x cos n x dx = ∫ cos n – 1 x sin m x cos x dx = ∫ cos n – 1 x sin m x d sin x = 1m + 1 ∫ cos n – 1 x d sin m + 1 x
Интегрируем по частям. v = sin m + 1 x,  u = cos n – 1 x,
du = ( cos n – 1 x  ) ′ dx = (n – 1 ) cos n – 2 x (cos x ) ′ dx = – (n – 1 ) cos n – 2 x sin x dx
Im, n  = 1m + 1 ∫ u dv = 1m + 1 [ uv – ∫ v du  ] = 1m + 1 [cos n – 1 x sin m + 1 x + (n – 1 ) ⋅ ∫ sin m + 1 x cos n – 2 x sin x dx]= 1m + 1 [cos n – 1 x sin m + 1 x + (n – 1 )Im + 2, n – 2 ]
Умножая на m + 1 , получаем четвертую формулу:
(m + 1 )Im, n  = sin m + 1 x  cos n – 1 x + (n – 1 )Im + 2, n – 2

Пример

Все примеры

Вычислим интеграл:
∫ sin 10 xcos 4 x  dx

Решение

Преобразуем:
I = ∫ sin 10 xcos 4 x  dx = ∫ sin 10 x cos – 4 x dx = I10,  – 4
Здесь m = 10, n = – 4 .

Применяем формулу приведения:
(n + 1 )Im, n  = – sin m – 1 x  cos n + 1 x + (m – 1 )Im – 2, n + 2
При m = 10, n = – 4 :
– 3I10,  – 4  = – sin 9 x  cos – 3 x + 9I8,  – 2
При m = 8, n = – 2 :
– I8,  – 2  = – sin 7 x  cos – 1 x + 7I6, 0

Применяем формулу приведения:
(m + n )Im, n  = – sin m – 1 x  cos n + 1 x + (m – 1 )Im – 2, n
При m = 6, n = – 0 :
6I6, 0  = – sin 5 x  cos 1 x + 5I4, 0
При m = 4, n = – 0 :
4I4, 0  = – sin 3 x  cos 1 x + 3I2, 0
При m = 2, n = – 0 :
2I2, 0  = – sin 1 x  cos 1 x + I0, 0

Вычисляем оставшийся интеграл:
I0, 0  = ∫ (sin x ) 0 (cos x ) 0  dx = ∫  dx = x

Собираем промежуточные результаты в одну формулу.
I = I10,  – 4  = – 13 (– sin 9 x  cos – 3 x – 9(– sin 7 x  cos – 1 x + 76 (– sin 5 x  cos 1 x + 54 (– sin 3 x  cos 1 x + 32 (– sin 1 x  cos 1 x + x ))))) = 13 sin 9 x  cos – 3 x – 93 sin 7 x  cos – 1 x – 9 ⋅ 73 ⋅ 6 sin 5 x  cos x – 9 ⋅ 7 ⋅ 53 ⋅ 6 ⋅ 4 sin 3 x  cos x – 9 ⋅ 7 ⋅ 5 ⋅ 33 ⋅ 6 ⋅ 4 ⋅ 2 sin x  cos x + 9 ⋅ 7 ⋅ 5 ⋅ 33 ⋅ 6 ⋅ 4 ⋅ 2 x = sin 9 x3 cos 3 x – 3 sin 7 xcos x – 72 sin 5 x  cos x – 358 sin 3 x  cos x – 10516 sin x  cos x + 10516 x

Ответ

I = sin 9 x3 cos 3 x – 3 sin 7 xcos x – 72 sin 5 x  cos x – 358 sin 3 x  cos x – 10516 sin x  cos x + 10516 x + C

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню