第14卷第1期2011年1月
STUDIES1NC()LLEGE
高等数学研究
MATHEMATlCS
Vbl.14.No.1Jan..2011
三角函数有理式积分技巧
魏章志,陈浩
(宿州学院数学与统计学院。安徽宿州234000)
摘要结合实际例子给出四种处理三角有理式积分的技巧与方法,即利用对称性积分法、递推公式法、组合
积分法、利用留数法.
关键词
积分;对称性;组合积分;留数
0172.2
中图分类号
文献标识码A
文章编号
1008一1399(2011)Ol—0077一03
三角函数有理式的积分计算方法与技巧丰富多彩,一般可以通过万能代换法来求解,但有时化成的代数有理式的积分非常难求.本文介绍几种计算方
法和技巧,利用这些技巧,可以提高对三角有理式的
-:J.:;娑如+专.f:羔如,
而由命题2,因为
积分计算能力.
1
(一号)Si眦一(玎一一号)Si岫一)
l+cos2z
利用对称性积分
设函数,(z)是[一口,口](口>o)上的奇函数,则有
I厂(z)dz=o.
设函数厂(z)是[一n,n](口>o)上的偶函数,则有
J—a
一。1+cos2(7r:二j)
’
也即.—j÷关于z一罢反对称,故有
(工一要)si眦
l十COS。.z
广厂(z)如:2f:厂(z)妇.
J口
J。1可i万吡2¨
所以
;
f一害如乩
Z
将以上的对称性加以推广,可得如下命题[1・21.命题l
设函数厂(z)在[o,口]((£>o)上可积,且
厂(z)=,(口一z),
即函数关于直线z=昙对称,则有
例2
JO
队z)如:2f号,(z№
JO
。卜我焘d一一号arctancc。sz,K=手.
计算J—r忐(口为任意实数).
不妨令z
解
命题2设函数厂(z)在[o,口](口>o)上可积,且
厂(z)=一,(口一z),
即函数关于直线z=昙反对称,则有
l厂(z)如=o.
2
例1计算J:r_;兰堑旦}dz.例1计算J
若记J=r忐,显然有J=,.又因为
一再杀=・一再三,1+舭一1+ta开z’———————ji—一l+ta疗(专一力
z=£志一r志.
2号一t,那么
j。r畿dz・
解显然有
也即再b一专关于z2号墨对称.由命题2知
-一C(
收稿日期:2008一ll—04I修改日期12010—11—28.
基金项目:宿州学院自然科学基金项目(2008”k01)l安徽省教育厅
高校优秀青年人才基金项目(2009SQRZl69)}省级精品课程(安徽省教育厅秘高[2006]53号).
作者简介:魏章志(1977一),男,安徽桐城人.硕士.讲师t从事数学教
育T作和泛函微分方程研究.Email:wzzh610@163.con
-一志
专_[r(志~专)出+r{卟=专.
r・如一r矗而出=
万方数据
78高等数学研究2011年1月
2
递推公式法
伟
一
为了计算l,。(z)dz,将其化成与I^(z)妇有
J口
J
4
关的表达式,其中志<挖,以∈N+,如此继续下去,将问题转化为求最后的一个或几个积分,这种计算定积分的方法称为递推公式法‘21.
例3寸算L=rsi?k如.
解
利用分部积分可得
J。:rsin,r-zd(一c。sz):
JO
sin”lzc。sz
l;+f:c。szdcsin”1.z,=
(扎-1)胁n科一s2z如一
(7z一1)f詈(sin,rlz—sin。z)d2:
(n一1)j,rz一(7l一1)J。,
移项得递推公式
I。一竺lJ,r2(竹≥2).
重复上述公式,结合
J0=r如;号,-,;rsi眦如=・,
可得
,咒一2是+1,五∈N+,
一一川一一川
号,咒。2志,五∈N+.
例4计算L=rtan孙zdz.
解
先使用凑微分可得
,王
J。=l
4
tan2,r2z(sec2工一1)dz=
JO
rtan2卅删ta眦,一卜n2棚础=
南驴1zI;一。。=嘉一h
因为I。=
手,所以,
L=
罚一I诵1
,
1
一J川)=…=
瓦三一一瓦』一十瓦三一一…+(-1)一J02靠一12,l一3‘2咒一5
。、“”
卜驴[{一(,一÷+{…+器)].
万方数据
3
组合积分法
求积分J=l,(z)dz时,根据J的特点,构造一
个与J结构相似的积分
J—Ig(z)如,
或将1分解为两个相似的积分I。和I:,使得
J=Jl十J2,
最后将J和J或J。和I。两个积分组合起来,通过解J和.厂或I。和I:形成的方程组来求毹积分的方法称
为组合积分法‘31.
例5计算积分r萱—・』斗出((16≠o).计算积分I。—・型旦毫出((16≠o).
J
o
nSlnZ—DCOSz
解
不妨设
J=I..j塑}妇,
J口Sln.Z—DCOS二C
J=l—』堕兰一dz,J口Sln.Z—DCo
S'r
则有
nJ—W=z+f1.
6J+皿-r=InI口sino一6coszI+f2.
解之得
J—n二r+6lnI口sin.r一6cosz
口2+62
+c,
从而有
』i蕊警赢如=’
J
O口Sln.Z—DCOSZ
位z+6lnnsin二c+6cosz
口2+62卜
垒
.互牟
垒
口2+622。42+62
詈I.
例6计算积分r
1
JO
TF丽而们・
3cosz+2sinz
解
不妨令
.,=,讦‰如.J=J.再‰妣则有
H.,=,笄慧如=
2J磐监苫鲁=
岩-n
厢+si眦一cosz
卜J=J-舞蒜如;
厢一si眦+cosz
+fl,
第14卷第1期
薮'章志.陈jl}:三角函数有理式积分技巧
79
2,簿篆等斋=
ReS(聂可急丽,一吾)=吉.
2arctan(sinx+cosz)十c2,
解之得
.
,-=专圳譬等篆|+
例8.2arctan(c。sz+si吡)]+cl’
计算J=J.:。rF历‰(夕≠1).
计算J。J。rF历意§再7(夕≠1)・
解
不妨设z=e廿,类似例7得
’
卜丢圳筹慧惹卜
J;哥㈨。,矿瓦寿硪再
2arctan(c。sz+si∞)]+∞
孰。。面南.
故可求得
当I夕l>1时,
J。丁再悉五品血一
p
3cosz+2sinz
1
,=2丌i÷Res(石夏j]而,一古)=
j‘
27r,,(3J捌)卜学ln(2+风
由2—1’
当I乡I<l时,
‘.
4
利用留数法
k
有些积分中的被积函数不能或者不易用初等函
2玎i÷胝(石再南,一p)=数表示出来,这时候可以利用留数定理,将要求的积卫
1一痧2。
分转化为复变函数沿闭路曲线的积分,从而将积分计从而可得
算转换为留数计算,此方法也称围道积分法‘引.
,
2,r
例7计算j
删,,
扎智T2J。手彘・
rh,
∞
卢丌=丌‘
以上是对三角函数有理式积分计算的常见的技解不妨令z=e4,那么,
巧总结,掌握这些技巧有利于减少积分计算步骤和
d8:三d2,
复杂程度.
参考文献
3co卯=要(z+z一1),
[1]陈纪修.於崇华,金路.数学分析[M].北京:高等教育出
所以
J—n。厩‰,
版社,2004:308—312.
[2]谢惠民,恽自求.数学分析题课讲义[M].北京:高等教育
出版社,2003:323-324.
而在I2
I<1内,3≯+10z+3只有一级极点
[3]朱永银。郭文秀.组合积分法[M].武汉:华中科技大学出
1
版社,2002:1—8.
2
2一了’
[4]龚冬保.复变函数典型题[M].西安:西安交通大学出版
从而
社。2002:142—143.
TechniquesofEVaIuatingDefiniteIntegralsof
RationalTrigonometricFunctionS
WEIZhang—zhi,
CHENHao
(SchooIof
MathematjcsandStatistics.SuzhouUnjversity,Suzhou234000,PRC)
Abstract?
Thispaperintroducesfourtechniquesofevaluatingdefiniteintegralsofrational
trigonometricfunctions,namelyintegratingbysymmetry,bycombination,
byrecurrence,and
byresidues.
Keywords:
integral,symmetry,combination,residue
万方数据
三角函数有理式积分技巧
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
魏章志, 陈浩, WEI Zhang-zhi, CHEN Hao宿州学院数学与统计学院,安徽,宿州,234000高等数学研究
STUDIES IN COLLEGE MATHEMATICS2011,14(1)
参考文献(4条)
1. 龚冬保 复变函数典型题 20022. 朱永银;郭文秀 组合积分法 20023. 谢惠民;恽自求 数学分析题课讲义 20034. 陈纪修;於崇华;金路 数学分析 2004
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdsxyj201101031.aspx
第14卷第1期2011年1月
STUDIES1NC()LLEGE
高等数学研究
MATHEMATlCS
Vbl.14.No.1Jan..2011
三角函数有理式积分技巧
魏章志,陈浩
(宿州学院数学与统计学院。安徽宿州234000)
摘要结合实际例子给出四种处理三角有理式积分的技巧与方法,即利用对称性积分法、递推公式法、组合
积分法、利用留数法.
关键词
积分;对称性;组合积分;留数
0172.2
中图分类号
文献标识码A
文章编号
1008一1399(2011)Ol—0077一03
三角函数有理式的积分计算方法与技巧丰富多彩,一般可以通过万能代换法来求解,但有时化成的代数有理式的积分非常难求.本文介绍几种计算方
法和技巧,利用这些技巧,可以提高对三角有理式的
-:J.:;娑如+专.f:羔如,
而由命题2,因为
积分计算能力.
1
(一号)Si眦一(玎一一号)Si岫一)
l+cos2z
利用对称性积分
设函数,(z)是[一口,口](口>o)上的奇函数,则有
I厂(z)dz=o.
设函数厂(z)是[一n,n](口>o)上的偶函数,则有
J—a
一。1+cos2(7r:二j)
’
也即.—j÷关于z一罢反对称,故有
(工一要)si眦
l十COS。.z
广厂(z)如:2f:厂(z)妇.
J口
J。1可i万吡2¨
所以
;
f一害如乩
Z
将以上的对称性加以推广,可得如下命题[1・21.命题l
设函数厂(z)在[o,口]((£>o)上可积,且
厂(z)=,(口一z),
即函数关于直线z=昙对称,则有
例2
JO
队z)如:2f号,(z№
JO
。卜我焘d一一号arctancc。sz,K=手.
计算J—r忐(口为任意实数).
不妨令z
解
命题2设函数厂(z)在[o,口](口>o)上可积,且
厂(z)=一,(口一z),
即函数关于直线z=昙反对称,则有
l厂(z)如=o.
2
例1计算J:r_;兰堑旦}dz.例1计算J
若记J=r忐,显然有J=,.又因为
一再杀=・一再三,1+舭一1+ta开z’———————ji—一l+ta疗(专一力
z=£志一r志.
2号一t,那么
j。r畿dz・
解显然有
也即再b一专关于z2号墨对称.由命题2知
-一C(
收稿日期:2008一ll—04I修改日期12010—11—28.
基金项目:宿州学院自然科学基金项目(2008”k01)l安徽省教育厅
高校优秀青年人才基金项目(2009SQRZl69)}省级精品课程(安徽省教育厅秘高[2006]53号).
作者简介:魏章志(1977一),男,安徽桐城人.硕士.讲师t从事数学教
育T作和泛函微分方程研究.Email:wzzh610@163.con
-一志
专_[r(志~专)出+r{卟=专.
r・如一r矗而出=
万方数据
78高等数学研究2011年1月
2
递推公式法
伟
一
为了计算l,。(z)dz,将其化成与I^(z)妇有
J口
J
4
关的表达式,其中志<挖,以∈N+,如此继续下去,将问题转化为求最后的一个或几个积分,这种计算定积分的方法称为递推公式法‘21.
例3寸算L=rsi?k如.
解
利用分部积分可得
J。:rsin,r-zd(一c。sz):
JO
sin”lzc。sz
l;+f:c。szdcsin”1.z,=
(扎-1)胁n科一s2z如一
(7z一1)f詈(sin,rlz—sin。z)d2:
(n一1)j,rz一(7l一1)J。,
移项得递推公式
I。一竺lJ,r2(竹≥2).
重复上述公式,结合
J0=r如;号,-,;rsi眦如=・,
可得
,咒一2是+1,五∈N+,
一一川一一川
号,咒。2志,五∈N+.
例4计算L=rtan孙zdz.
解
先使用凑微分可得
,王
J。=l
4
tan2,r2z(sec2工一1)dz=
JO
rtan2卅删ta眦,一卜n2棚础=
南驴1zI;一。。=嘉一h
因为I。=
手,所以,
L=
罚一I诵1
,
1
一J川)=…=
瓦三一一瓦』一十瓦三一一…+(-1)一J02靠一12,l一3‘2咒一5
。、“”
卜驴[{一(,一÷+{…+器)].
万方数据
3
组合积分法
求积分J=l,(z)dz时,根据J的特点,构造一
个与J结构相似的积分
J—Ig(z)如,
或将1分解为两个相似的积分I。和I:,使得
J=Jl十J2,
最后将J和J或J。和I。两个积分组合起来,通过解J和.厂或I。和I:形成的方程组来求毹积分的方法称
为组合积分法‘31.
例5计算积分r萱—・』斗出((16≠o).计算积分I。—・型旦毫出((16≠o).
J
o
nSlnZ—DCOSz
解
不妨设
J=I..j塑}妇,
J口Sln.Z—DCOS二C
J=l—』堕兰一dz,J口Sln.Z—DCo
S'r
则有
nJ—W=z+f1.
6J+皿-r=InI口sino一6coszI+f2.
解之得
J—n二r+6lnI口sin.r一6cosz
口2+62
+c,
从而有
』i蕊警赢如=’
J
O口Sln.Z—DCOSZ
位z+6lnnsin二c+6cosz
口2+62卜
垒
.互牟
垒
口2+622。42+62
詈I.
例6计算积分r
1
JO
TF丽而们・
3cosz+2sinz
解
不妨令
.,=,讦‰如.J=J.再‰妣则有
H.,=,笄慧如=
2J磐监苫鲁=
岩-n
厢+si眦一cosz
卜J=J-舞蒜如;
厢一si眦+cosz
+fl,
第14卷第1期
薮'章志.陈jl}:三角函数有理式积分技巧
79
2,簿篆等斋=
ReS(聂可急丽,一吾)=吉.
2arctan(sinx+cosz)十c2,
解之得
.
,-=专圳譬等篆|+
例8.2arctan(c。sz+si吡)]+cl’
计算J=J.:。rF历‰(夕≠1).
计算J。J。rF历意§再7(夕≠1)・
解
不妨设z=e廿,类似例7得
’
卜丢圳筹慧惹卜
J;哥㈨。,矿瓦寿硪再
2arctan(c。sz+si∞)]+∞
孰。。面南.
故可求得
当I夕l>1时,
J。丁再悉五品血一
p
3cosz+2sinz
1
,=2丌i÷Res(石夏j]而,一古)=
j‘
27r,,(3J捌)卜学ln(2+风
由2—1’
当I乡I<l时,
‘.
4
利用留数法
k
有些积分中的被积函数不能或者不易用初等函
2玎i÷胝(石再南,一p)=数表示出来,这时候可以利用留数定理,将要求的积卫
1一痧2。
分转化为复变函数沿闭路曲线的积分,从而将积分计从而可得
算转换为留数计算,此方法也称围道积分法‘引.
,
2,r
例7计算j
删,,
扎智T2J。手彘・
rh,
∞
卢丌=丌‘
以上是对三角函数有理式积分计算的常见的技解不妨令z=e4,那么,
巧总结,掌握这些技巧有利于减少积分计算步骤和
d8:三d2,
复杂程度.
参考文献
3co卯=要(z+z一1),
[1]陈纪修.於崇华,金路.数学分析[M].北京:高等教育出
所以
J—n。厩‰,
版社,2004:308—312.
[2]谢惠民,恽自求.数学分析题课讲义[M].北京:高等教育
出版社,2003:323-324.
而在I2
I<1内,3≯+10z+3只有一级极点
[3]朱永银。郭文秀.组合积分法[M].武汉:华中科技大学出
1
版社,2002:1—8.
2
2一了’
[4]龚冬保.复变函数典型题[M].西安:西安交通大学出版
从而
社。2002:142—143.
TechniquesofEVaIuatingDefiniteIntegralsof
RationalTrigonometricFunctionS
WEIZhang—zhi,
CHENHao
(SchooIof
MathematjcsandStatistics.SuzhouUnjversity,Suzhou234000,PRC)
Abstract?
Thispaperintroducesfourtechniquesofevaluatingdefiniteintegralsofrational
trigonometricfunctions,namelyintegratingbysymmetry,bycombination,
byrecurrence,and
byresidues.
Keywords:
integral,symmetry,combination,residue
万方数据
三角函数有理式积分技巧
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
魏章志, 陈浩, WEI Zhang-zhi, CHEN Hao宿州学院数学与统计学院,安徽,宿州,234000高等数学研究
STUDIES IN COLLEGE MATHEMATICS2011,14(1)
参考文献(4条)
1. 龚冬保 复变函数典型题 20022. 朱永银;郭文秀 组合积分法 20023. 谢惠民;恽自求 数学分析题课讲义 20034. 陈纪修;於崇华;金路 数学分析 2004
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdsxyj201101031.aspx