三角函数有理式积分技巧

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.

(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

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

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.

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

递推公式法

为了计算l,。(z)dz,将其化成与I^(z)妇有

J口

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.

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.

先使用凑微分可得

,王

J。=l

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

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

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).

nSlnZ—DCOSz

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=’

O口Sln.Z—DCOSZ

位z+6lnnsin二c+6cosz

口2+62卜

.互牟

口2+622。42+62

詈I.

例6计算积分r

JO

TF丽而们・

3cosz+2sinz

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)・

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

3cosz+2sinz

,=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,

‘.

利用留数法

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

版社,2002:1—8.

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.

(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

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

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.

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

递推公式法

为了计算l,。(z)dz,将其化成与I^(z)妇有

J口

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.

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.

先使用凑微分可得

,王

J。=l

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

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

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).

nSlnZ—DCOSz

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=’

O口Sln.Z—DCOSZ

位z+6lnnsin二c+6cosz

口2+62卜

.互牟

口2+622。42+62

詈I.

例6计算积分r

JO

TF丽而们・

3cosz+2sinz

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)・

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

3cosz+2sinz

,=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,

‘.

利用留数法

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

版社,2002:1—8.

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

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