MIT_单变量微积分_24

本文介绍了微积分中三角函数积分的方法,包括三角替换和半角公式的应用。通过示例解析了如何对sin^n(x)cos^m(x)进行积分,并展示了如何使用半角公式简化积分过程,如∫cos^2(x)dx和∫sin^2(x)cos^2(x)dx的求解步骤。

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1.三角函数的积分以及三角替换

三角学常用函数:

  • sin2Θ+cos2Θ=1sin^2\Theta +cos^2\Theta=1sin2Θ+cos2Θ=1
  • cos(2Θ)=cos2Θ−sin2Θcos(2\Theta)=cos^2\Theta-sin^2\Thetacos(2Θ)=cos2Θsin2Θ
  • sin(2Θ)=2sinΘcosΘsin(2\Theta)=2sin\Theta cos \Thetasin(2Θ)=2sinΘcosΘ

半角公式:
cos(2Θ)=cos2Θ−sin2Θ=cos2Θ−(1−cos2Θ)=2cos2(2Θ)−1cos(2\Theta)=cos^2\Theta-sin^2\Theta\\ =cos^2\Theta-(1-cos^2\Theta)\\ =2cos^2(2\Theta)-1cos(2Θ)=cos2Θsin2Θ=cos2Θ(1cos2Θ)=2cos2(2Θ)1
可以得知:
cos2Θ=1+cos(2Θ)2sin2Θ=1−cos(2Θ)2dsinx=(cosx)dx⇒∫cosxdx=sinx+Cdcosx=(−sinx)dx⇒∫sinxdx=−cosx+Ccos^2\Theta=\frac{1+cos(2\Theta)}{2}\\ sin^2\Theta=\frac{1-cos(2\Theta)}{2}\\ dsinx=(cosx)dx\Rightarrow \int cosx dx=sinx+C\\ dcosx=(-sinx)dx\Rightarrow \int sinx dx=-cosx+C\\ cos2Θ=21+cos(2Θ)sin2Θ=21cos(2Θ)dsinx=(cosx)dxcosxdx=sinx+Cdcosx=(sinx)dxsinxdx=cosx+C
Ex:∫sinn(x)cosm(x)dx(m,n=0,1,2.....)\int sin^n(x)cos^m(x)dx(m,n=0,1,2.....)sinn(x)cosm(x)dx(m,n=0,1,2.....)m,n至少有一个奇数.
(1)m=1m=1m=1
u=sinxu=sinxu=sinx,则:
∫sinn(x)cosxdx=∫undx=∫undu=un+1n+1+C=(sinx)n+1n+1+C\int sin^n(x)cosxdx=\int u^n dx\\ =\int u^n du\\ =\frac{u^{n+1}}{n+1}+C\\ =\frac{(sinx)^{n+1}}{n+1}+Csinn(x)cosxdx=undx=undu=n+1un+1+C=n+1(sinx)n+1+C
(2)n=3,m=2n=3,m=2n=3,m=2
∫sin3xcos2xdx=∫(1−cos2x)sinxcos2xdx=∫(cos2x−cos4x)sinxdx令u=cosx,du=−sinxdx=∫(u2−u4)(−du)=15u5−13u3+C=15(cosx)5−13(cosx)3+C\int sin^3x cos^2x dx\\ =\int(1-cos ^2x)sinx cos^2xdx\\ =\int(cos^2x-cos^4x)sinxdx\\ 令u=cosx,du=-sinxdx\\ =\int(u^2-u^4)(-du)\\ =\frac{1}{5}u^5-\frac{1}{3}u^3+C\\ =\frac{1}{5}(cosx)^5-\frac{1}{3}(cosx)^3+Csin3xcos2xdx=(1cos2x)sinxcos2xdx=(cos2xcos4x)sinxdxu=cosx,du=sinxdx=(u2u4)(du)=51u531u3+C=51(cosx)531(cosx)3+C
(3)n=3,m=0n=3,m=0n=3,m=0
∫sin3xdx=∫(1−cos2x)sinxdx令u=cosx,du=−sinxdx=∫(1−u2)x(−du)=13u3−u+C=13(cosx)3−cosx+C\int sin^3xdx\\ =\int(1-cos^2x)sinxdx\\ 令u=cosx,du=-sinxdx\\ =\int(1-u^2)x(-du)\\ =\frac{1}{3}u^3-u+C\\ =\frac{1}{3}(cosx)^3-cosx+Csin3xdx=(1cos2x)sinxdxu=cosx,du=sinxdx=(1u2)x(du)=31u3u+C=31(cosx)3cosx+C

半角公式的使用:
∫cos2xdx=∫1+cos(2x)2dx=12x+sin(2x)4+C\int cos^2xdx=\int \frac{1+cos(2x)}{2}dx\\ =\frac{1}{2}x+\frac{sin(2x)}{4}+Ccos2xdx=21+cos(2x)dx=21x+4sin(2x)+C
Ex:
∫sin2cos2dx=∫(1−cos(2x)2)(1+cos(2x)2)dx=∫1−cos2(2x)4dx=∫(14−1+cos(4x)4∗2)dx=∫(18−cos4x8)dx=18x−sin4x8+C\int sin^2cos^2dx\\ =\int(\frac{1-cos(2x)}{2})(\frac{1+cos(2x)}{2})dx\\ =\int\frac{1-cos^2(2x)}{4}dx\\ =\int(\frac{1}{4}-\frac{1+cos(4x)}{4*2})dx\\ =\int(\frac{1}{8}-\frac{cos4x}{8})dx\\ =\frac{1}{8}x-\frac{sin4x}{8}+Csin2cos2dx=(21cos(2x))(21+cos(2x))dx=41cos2(2x)dx=(41421+cos(4x))dx=(818cos4x)dx=81x8sin4x+C
Ex
sin2xcos2x=(sinxcosx)2=(sin(2x)2)2=sin2(2x)4=14(1−cos(4x)2)sin^2xcos^2x=(sinxcosx)^2\\ =(\frac{sin(2x)}{2})^2\\ =\frac{sin^2(2x)}{4}\\ =\frac{1}{4}(\frac{1-cos(4x)}{2})sin2xcos2x=(sinxcosx)2=(2sin(2x))2=4sin2(2x)=41(21cos(4x))
三角替换:
∫a2−y2dy=∫(acosΘ)(acosΘdΘ)=a2∫cos2ΘdΘ=a2(Θ2+sin(2Θ)4)+C\int \sqrt{a^2-y^2}dy\\ =\int(acos\Theta)(acos\Theta d\Theta)\\ =a^2\int cos^2 \Theta d\Theta\\ =a^2 (\frac{\Theta}{2}+\frac{sin(2\Theta)}{4})+Ca2y2dy=(acosΘ)(acosΘdΘ)=a2cos2ΘdΘ=a2(2Θ+4sin(2Θ))+C

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