Интегрирование тригонометрических рациональных функций
Методы интегрирования тригонометрических рациональных функций
Рассмотрим интегралы от тригонометрических рациональных функций:
∫ R( cos x, sin x  )dx ,
где R – рациональная функция, то есть функция, составленная из операций сложения, деления и возведения в целочисленную степень. Сюда также могут входить тангенсы и котангенсы (поскольку они получаются операциями деления синуса и косинуса). Их, чаще всего, стоит преобразовать через синусы и косинусы.
В зависимости от вида подынтегральной функции, применяют несколько методов интегрирования тригонометрических рациональных функций.
Подстановки t = sin x или t = cos x
Если R( cos x, sin x ) умножается на –1 при замене
cos x → – cos x или sin x → – sin x ,
то полезно другую из них обозначить через t .
Так, при подстановке
t = cos x ,
dt = (cos x )′ dx = – sin x dx ,
sin2 x = 1 – cos2 x = 1 – t 2 .
При подстановке
t = sin x ,
dt = (sin x )′ dx = cos x dx ,
cos2 x = 1 – sin2 x = 1 – t 2 .
Подстановка t = tg x
Если R( cos x, sin x ) не меняется при одновременной замене
cos x → – cos x и sin x → – sin x ,
то полезно положить tg x = t или ctg x = t .
Пусть t = tg x , тогда
cos 2 x = 11 + tg 2 x = 11 + t 2 ,
sin 2 x = tg 2 x1 + tg 2 x = t 21 + t 2 ,
dt = (tg x ) ′ dx = dxcos 2 x = (1 + t 2 ) dx ,
dx = dt1 + t 2 .
Подстановка t = tg(x/2)
Подстановка
t = tg x2
во всех случаях приводит к интегралу от рациональной дроби.
При этом
cos 2 x2 = 11 + tg 2 x2 = 11 + t 2 ,
sin 2 x2 = tg 2 x21 + tg 2 x2 = t 21 + t 2 ,
dt = ( tg x2  ) ′dx = 1cos 2 x2 ( x2  ) ′ dx = dx2 cos 2 x2 = 12 (1 + t 2 ) dx ,
dx = 2 dt1 + t 2 ,
sin x = 2 sin x2 cos x2 = 2 sin x2cos x2 cos 2 x2 = 2 tg x2 cos 2 x2 = 2t1 + t 2 ,
cos x = cos 2 x2 – sin 2 x2 = cos 2 x2 – sin 2 x2cos 2 x2 cos 2 x2 = (1 – tg 2x2 ) cos 2 x2 = 1 – t 21 + t 2 .
Итак,
t = tg x2 , sin x = 2t1 + t 2 , cos x = 1 – t 21 + t 2 , dx = 2 dt1 + t 2 .
Эта подстановка является универсальной и позволяет во всех случаях привести интегралы от тригонометрических рациональных функций к интегралам от рациональных функций. К сожалению, эта подстановка приводит к более длинным вычислениям, чем предыдущие, если они применимы.
Интегралы с произведением степенных функций от cos x и sin x
Часто встречаются интегралы, в которых подынтегральная функция является произведением степенных функций от синуса и косинуса:
∫ sin m x cos n x dx
При целых m и n подынтегральная функция является тригонометрической рациональной функцией и, для ее интегрирования, применимы перечисленные выше методы. Однако, в виду особенности, существует ряд дополнительных методов, которые, в некоторых случаях, позволяют упростить вычисление таких интегралов.
Подробнее >>>
Примеры
Все примеры Ниже подробно рассмотрены три примера интегрирования рациональных тригонометрических функций:
∫ cos 5 x + cos 3 xsin 4 x + sin 2 x dx ∫ sin 2 x1 + sin 2 x dx ∫ dx2 sin x – cos x + 5
Пример 1
Все примеры Вычислить интеграл
∫ cos 5 x + cos 3 xsin 4 x + sin 2 x dx
Решение
Подынтегральная функция
cos 5 x + cos 3 xsin 4 x + sin 2 x
является дробью, состоящей из многочленов от тригонометрических функций sin x и cos x . Поэтому она является рациональной функцией от sin x и cos x .
Заменим cos x на – cos x :
(– cos x ) 5  + (– cos x ) 3sin 4 x + sin 2 x = – (cos x ) 5  – (cos x ) 3sin 4 x + sin 2 x = – 1 ⋅ cos 5 x + cos 3 xsin 4 x + sin 2 x
Вся функция умножилась на –1 .
По правилу 1, делаем подстановку:
t = sin x .
Тогда
dt = (sin x)′ dx = cos x dx .
(cos 5 x + cos 3 x ) dx = (cos 4 x + cos 2 x ) cos x dx = ((1 – sin 2 x ) 2  + 1 – sin 2 x ) cos x dx = ((1 – t 2 ) 2  + 1 – t 2 ) dt = (1 – 2t 2  + t 4  + 1 – t 2 ) dt = (2 – 3t 2  + t 4 ) dt
Подставляем в интеграл:
I = ∫ cos 5 x + cos 3 xsin 4 x + sin 2 x dx = ∫ t 4  – 3t 2  + 2t 4  + t 2 dt
Получили интеграл от рациональной функции (дроби из многочленов). Выделяем целую часть и разложим дробь на простейшие:
t 4  – 3t 2  + 2t 4  + t 2 = t 4  + t 2  – 4t 2  + 2t 4  + t 2 = 1 + – 4t 2  + 2t 4  + t 2 = 1 + 2(t 2  + 1 ) – 6t 2t 2 (t 2  + 1 ) = 1 + 2t 2 – 6t 2  + 1 .
Интегрируем:
I = ∫ ( 1 + 2t – 2  – 6t 2  + 1  ) dt = t – 2t – 6 arctg t = sin x – 2sin x – 6 arctg (sin x ) + C
Ответ
I = sin x – 2sin x – 6 arctg (sin x ) + C
Пример 2
Все примеры Определить интеграл
∫ sin 2 x1 + sin 2 x dx
Решение
Подынтегральная функция
sin 2 x1 + sin 2 x
является дробью, состоящей из многочленов от тригонометрической функции sin x . Поэтому она является рациональной функцией от sin x и cos x .
Заменим sin x на – sin x :
(– sin x ) 21 + (– sin x ) 2 = (sin x ) 21 + (sin x ) 2
Функция не изменилась.
Заменим cos x на – cos x . Поскольку подынтегральная функция не зависит от cos x , то при этой замене она также не меняется.
Согласно второму правилу, приведенному выше, делаем подстановку:
t = tg x .
1cos 2 x = 1 + tg 2 x = 1 + t 2 ;
dt = (tg x ) ′dx = dxcos 2 x = (1 + t 2 ) dx ;
dx = dt1 + t 2 .
Применим формулу sin2 x + cos2 x = 1 и разделим числитель и знаменатель на cos2 x .
sin 2 x1 + sin 2 x = sin 2 xsin 2 x + cos 2 x + sin 2 x = sin 2 x2 sin 2 x + cos 2 x = sin 2 xcos 2 x2 sin 2 x + cos 2 xcos 2 x = tg 2 x2 tg 2 x + 1 = t 22t 2  + 1 .
Подставляем и раскладываем дробь на простейшие:
I = ∫ sin 2 x1 + sin 2 x dx = ∫ t 22t 2  + 1 ⋅ dtt 2  + 1= ∫ 2t 2  + 1 – (t 2  + 1 )(2t 2  + 1 )(t 2  + 1 ) dt= ∫ ( 1t 2  + 1 – 12t 2  + 1  )dt= ∫ dtt 2  + 1 – ∫ dt2t 2  + 1 = arctg t – 1√ 2  ∫ d(√ 2  t )(√ 2  t ) 2  + 1 = arctg tg x – 1√ 2  arctg (√ 2  t ) = x – 1√ 2  arctg (√ 2  tg x ) .
Ответ
I = x – 1√ 2  arctg (√ 2  tg x ) + C
Пример 3
Все примеры Решить интеграл
∫ dx2 sin x – cos x + 5
Решение
Подынтегральная функция
12 sin x – cos x + 5
является дробью, состоящей из многочлена от тригонометрических функций sin x и cos x . Поэтому она является рациональной функцией от sin x и cos x .
Если заменить sin x на – sin x или cos x на – cos x , то функция меняет вид, поэтому правила 1 или 2 не применимы.
Согласно третьему правилу, приведенному выше, делаем подстановку:
t = tg x2 .
dt = ( tg x2  ) ′dx = 1cos 2 x2 ( x2  ) ′ dx = dx2 cos 2 x2 ;
dxcos 2 x2 = 2 dt .
Преобразуем знаменатель, применяя формулы:
sin x = 2 sin x2 cos x2 ,
cos x = cos 2 x2 – sin 2 x2 ,
cos 2 x2 + sin 2 x2 = 1 .
2 sin x – cos x + 5 = 4 sin x2 cos x2 – cos 2 x2 + sin 2 x2 + 5(cos 2 x2 + sin 2 x2 ) = 6 sin 2 x2 + 4 sin x2 cos x2 + 4 cos 2 x2 = 2 ⋅ 3 sin 2 x2 + 2 sin x2 cos x2 + 2 cos 2 x2cos 2 x2 ⋅ cos 2 x2 = 2 ⋅ (3 tg 2 x2 + 2 tg x2 + 2 ) ⋅ cos 2 x2 = 2 ⋅ (3t 2  + 2t + 2 ) ⋅ cos 2 x2 .
I = ∫ dx2 sin x – cos x + 5 = 12 ∫ 13t 2  + 2t + 2 ⋅ dxcos 2 x2 = ∫ dt3t 2  + 2t + 2 .
Приводим знаменатель к сумме квадратов:
3t 2  + 2t + 2 = 3( t 2  + 23 t + 23  ) = 3( t 2  + 23 t + ( 13  ) 2  – 19 + 23  ) = 3[ ( t + 13  ) 2  + 59  ] = 3[ ( t + 13  ) 2  + ( √ 5 3  ) 2  ] .
Подставляем:
I = ∫ dt3t 2  + 2t + 2 = 13 ∫d( t + 13  )[ ( t + 13  ) 2  + ( √ 5 3  ) 2  ] = 13 ⋅ 3√ 5  ⋅ arctg ( t + 13√ 5 3  ) = 1√ 5  arctg ( 3t + 1√ 5   ) = 1√ 5  arctg ( 3 tg x2 + 1√ 5   )
Ответ
I = 1√ 5  arctg ( 3 tg x2 + 1√ 5   ) + C
Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: