形如1/(a+bsinx)的积分公式的证明

本文详细解析了形式为1/(a+b*sinx)的积分计算方法,通过换元和三角恒等变换,给出了积分结果的通用表达式,并通过严谨的数学步骤证明了该公式。

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需要求解的积分具有如下形式:
∫1a+bsin⁡xdx\int \frac{1}{a+b \sin x} d xa+bsinx1dx
这种积分比较常见,可以考虑记一下它的结果,结果为:

∫1a+bsin⁡xdx=2a2−b2⋅arctan⁡⋅{atan⁡(x2)+ba2−b2}\int \frac{1}{a+b \sin x} d x=\frac{2}{\sqrt{a^{2}-b^{2}}} \cdot \arctan \cdot\left\{\frac{a \tan \left(\frac{x}{2}\right)+b}{\sqrt{a^{2}-b^{2}}}\right\}a+bsinx1dx=a2b22arctan{a2b2atan(2x)+b}


证:

已知
sin⁡x=2tan⁡x21+tan⁡2x2\sin x=\frac{2 \tan \frac{x}{2}}{1+\tan ^{2} \frac{x}{2}}sinx=1+tan22x2tan2x

故有
∫1a+bsin⁡xdx=∫1a+b2tan⁡x21+tan⁡2x2dx(∗)\int \frac{1}{a+b \sin x} d x=\int \frac{1}{a+b \frac{2 \tan \frac{x}{2}}{1+\tan ^{2} \frac{x}{2}}} d x (*)a+bsinx1dx=a+b1+tan22x2tan2x1dx()

tan⁡x2=t\tan \frac{x}{2}=ttan2x=t,则dx=21+t2dtd x= \frac{2}{1+t^2}d tdx=1+t22dt
则有
∫1a+b⋅2t1+t2⋅21+t2dt=1a∫21+t2+2batdt=2a∫1t2+2bat+b2a2+1−b2a2dt=2a11−b2a2∫1a2a2−b2⋅(t+ba)2+1dt(∗∗) \begin{aligned} \int \frac{1}{a+b \cdot \frac{2 t}{1+t^{2}}} \cdot \frac{2}{1+t^{2}} d t &= \frac{1}{a} \int \frac{2}{1+t^{2}+\frac{2 b}{a} t} d t \\ &= \frac{2}{a} \int \frac{1}{t^{2}+\frac{2 b}{a} t+\frac{b^{2}}{a^{2}}+1-\frac{b^{2}}{a^{2}}} d t \\ &= \frac{2}{a} \frac{1}{1-\frac{b^{2}}{a^{2}}} \int \frac{1}{\frac{a^{2}}{a^2-b^2} \cdot \left(t+\frac{b}{a}\right)^{2}+1} d t (**) \end{aligned} a+b1+t22t11+t22dt=a11+t2+a2bt2dt=a2t2+a2bt+a2b2+1a2b21dt=a21a2b21a2b2a2(t+ab)2+11dt()

再令y=aa2−b2⋅(t+ba)y=\frac{a}{\sqrt{a^2-b^2} }\cdot \left(t+\frac{b}{a}\right)y=a2b2a(t+ab),则dt=a2−b2adyd t=\frac{\sqrt{a^{2} - b^{2}}}{a} d ydt=aa2b2dy

故有
(∗∗)=2aa2−b2∫a2−b2/ay2+1dy=2a2−b2arctan⁡y(∗∗∗) \begin{aligned} (**) &= \frac{2 a}{a^{2}-b^{2}} \int \frac{\sqrt{a^2-b^2}/a}{y^{2}+1} d y\\ &=\frac{2}{\sqrt{a^{2}-b^{2}}} \arctan y (***) \end{aligned} ()=a2b22ay2+1a2b2/ady=a2b22arctany()

最后再将y=aa2−b2(tan⁡x2+ba)y=\frac{a}{\sqrt{a^2-b^2}}\left( \tan \frac{x}{2} + \frac{b}{a} \right)y=a2b2a(tan2x+ab)代入(∗∗∗)(***)()中便可证得。

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