Методы решения физико-математических задач

Интегрирование тригонометрических рациональных функций

Интегрирование тригонометрических рациональных функций
Представлены методы интегрирования тригонометрических рациональных функций. Подробно рассмотрены три примера интегрирования таких функций.
()(\DeclareMathOperator{\arctg}{arctg})() ()(\DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg})() ()(\DeclareMathOperator{\tg}{tg})() ()(\DeclareMathOperator{\ctg}{ctg})()

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 2x = 11 + tg 2x = 11 + t 2 ,
sin 2x = tg 2x1 + tg 2x = t 21 + t 2 ,
dt = (tg x )dx = dxcos 2x = (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 2x2 = 11 + tg 2x2 = 11 + t 2 ,
sin 2x2 = tg 2x21 + tg 2x2 = t 21 + t 2 ,
dt = ( tg x2  )dx =1cos 2x2(x2  )dx = dx2 cos 2x2 =12 (1 + t 2 ) dx ,
dx = 2 dt1 + t 2 ,
sin x = 2 sin x2 cos x2 = 2 sin x2cos x2 cos 2x2 = 2 tg x2 cos 2x2 = 2t1 + t 2 ,
cos x = cos 2x2 – sin 2x2 =cos 2x2 – sin 2x2cos 2x2 cos 2x2 = (1 – tg 2x2 ) cos 2x2 = 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:
 sinmx cosnxdx
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 5x + cos 3xsin 4x + sin 2xdx   sin 2x1 + sin 2xdx   dx2 sin x – cos x + 5

Пример 1

Все примеры

Вычислить интеграл
cos 5x + cos 3xsin 4x + sin 2xdx

Решение

Подынтегральная функция
cos 5x + cos 3xsin 4x + sin 2x
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 4x + sin 2x =– (cos x ) 5  – (cos x ) 3sin 4x + sin 2x = – 1 ⋅ cos 5x + cos 3xsin 4x + sin 2x
Вся функция умножилась на   –1 .

По правилу 1, делаем подстановку:
t = sin x .
Тогда
dt = (sin x)′ dx = cos x dx .
(cos 5x + cos 3x ) dx = (cos 4x + cos 2x ) cos xdx = ((1 – sin 2x ) 2  + 1 – sin 2x ) cos xdx = ((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 5x + cos 3xsin 4x + sin 2xdx =t 4  – 3t 2  + 2t 4  + t 2dt

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 2x1 + sin 2xdx

Решение

Подынтегральная функция
sin 2x1 + sin 2x
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 2x = 1 + tg 2x = 1 + t 2 ;
dt = (tg x )dx = dxcos 2x = (1 + t 2 ) dx ;
dx = dt1 + t 2 .
Применим формулу sin2 x + cos2 x = 1 и разделим числитель и знаменатель на cos2 x .
sin 2x1 + sin 2x =sin 2xsin 2x + cos 2x + sin 2x =sin 2x2 sin 2x + cos 2x =sin 2xcos 2x2 sin 2x + cos 2xcos 2x = tg 2x2 tg 2x + 1 =t 22t 2  + 1 .
Подставляем и раскладываем дробь на простейшие:
I = sin 2x1 + sin 2xdx =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 2x2(x2  )dx = dx2 cos 2x2 ;
dxcos 2x2 = 2 dt .
Преобразуем знаменатель, применяя формулы:
sin x = 2 sin x2 cos x2 ,
cos x = cos 2x2 – sin 2x2 ,
cos 2x2 + sin 2x2 = 1 .
2 sin x – cos x + 5 = 4 sin x2 cos x2 – cos 2x2 + sin 2x2 + 5(cos 2x2 + sin 2x2 ) = 6 sin 2x2 + 4 sin x2 cos x2 + 4 cos 2x2 = 2 ⋅3 sin 2x2 + 2 sin x2 cos x2 + 2 cos 2x2cos 2x2 ⋅cos 2x2 = 2 ⋅ (3 tg 2x2 + 2 tg x2 + 2 ) ⋅ cos 2x2 = 2 ⋅ (3t 2  + 2t + 2 ) ⋅ cos 2x2 .

I = dx2 sin x – cos x + 5 =1213t 2  + 2t + 2 ⋅ dxcos 2x2 =dt3t 2  + 2t + 2 .

Приводим знаменатель к сумме квадратов:
3t 2  + 2t + 2 = 3(t 2  + 23t + 23  ) = 3(t 2  + 23t + (13  ) 2  – 19 + 23  ) = 3[(t + 13  ) 2  + 59  ] = 3[(t + 13  ) 2  + ( 5 3  ) 2  ] .

Подставляем:
I = dt3t 2  + 2t + 2 =13d(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:

Меню