Тригонометрическая подстановка

В математике тригонометрическая подстановка — это подстановка из тригонометрических функций для других выражений. В исчислении тригонометрическая подстановка — это метод вычисления интегралов. Более того, можно использовать тригонометрические тождества для упрощения некоторых интегралов, содержащих радикальное выражение[1][2]. Как и другие методы интегрирования путём подстановки, при вычислении определённого интеграла может быть проще полностью вывести первообразную перед применением границ интегрирования.

Случай I: Подынтегральные выражения, содержащие a2x2

править

Пусть  , и используйте тождество  .

Примеры Случая I

править
 
Геометрическая конструкция для Случая I

Пример 1

править

В интеграле

 

можно использовать

 

Тогда

 

Вышеупомянутый шаг требует, чтобы   и  . Мы можем выбрать   в качестве главного корня   и наложить ограничение   с помощью функции обратного синуса.

Для определённого интеграла нужно выяснить, как меняются границы интегрирования. Например, если   изменяется от   до  , тогда   изменяется от   до  , поэтому   изменяется от   до  . Тогда

 

При выборе границ требуется некоторая осторожность. Поскольку приведённая выше интеграция требует, чтобы  , значение   может изменяться только от   до  . Пренебрегая этим ограничением, можно было бы выбрать   для перехода от   к  , что привело бы фактически к отрицательному значению.

В качестве альтернативы можно полностью вычислить неопределённые интегралы перед применением граничных условий. В этом случае первообразная даёт

 

как прежде.

Пример 2

править

Интеграл

 

можно оценить путём представления  

где  , так что   и   по диапазону арксинуса, так что   и  .

Тогда

 

Для определённого интеграла границы изменяются после выполнения замены и определяются с помощью уравнения   со значениями в диапазоне  . Или же можно применить граничные члены непосредственно к формуле первообразной.

Например, определённый интеграл

 

можно оценить, подставив  , с оценками, определёнными с помощью  ,   и  .

Тогда

 

С другой стороны, прямое применение граничных членов к ранее полученной формуле для первообразных даёт

 

как прежде.

Случай II: Подынтегральные выражения, содержащие a2 + x2

править

Примеры Случая II

править
 
Геометрическая конструкция для Случая II

Пример 1

править

В интеграле

 

можно написать

 

так что интеграл становится

 

при условии  .

Для определённого интеграла границы изменяются после выполнения замены и определяются с помощью уравнения   со значениями в диапазоне  . Или же можно применить граничные члены непосредственно к формуле первообразной.

Например, определённый интеграл

 

можно оценить, подставив  , с оценками, определёнными с помощью  ,   и  .

Тогда

 

Между тем, прямое применение граничных членов к формуле для первообразных даёт

 

так же, как прежде.

Пример 2

править

Интеграл

 

можно оценить путём представления  

где  , так что   и   по диапазону арктангенса, так что   и  .

Тогда

 

Интеграл секанса в кубе можно вычислить с помощью интегрирования по частям. Как результат

 

Случай III: Подынтегральные выражения, содержащие x2a2

править

Пусть   и используется тождество  

Примеры Случая III

править
 
Геометрическая конструкция для Случая III

Интегралы типа

 

также можно вычислить частичными дробями, а не тригонометрическими подстановками. Однако интеграл

 

нельзя. В этом случае подходящей подстановкой будет:

 

где  , так что   и  , предполагая  , так что   и  .

Тогда

 

Можно вычислить интеграл функции секанс, умножив числитель и знаменатель на   и интеграл секанса в кубе по частям[3]. Как результат

 

Если  , что происходит, когда   с заданным диапазоном арксеканса, то  , что в данном случае означает  .

Подстановки, исключающие тригонометрические функции

править

Подстановка может использоваться для удаления тригонометрических функций.

Например,

 

Последняя подстановка известна как подстановка Вейерштрасса, в которой используются формулы тангенса половинного угла.

Например,

 

Гиперболическая подстановка

править

Подстановки гиперболических функций также могут использоваться для упрощения интегралов[4].

В интеграле   можно сделать подстановку  ,  

Затем, используя тождества   и  

можно получить

 

См. также

править

Примечания

править
  1. Джеймс Стюарт. Исчисление: ранние трансцендентальные теории. — 6-е издание. — Брукс/Коул, 2008. — ISBN 978-0-495-01166-8.
  2. Джордж Б. Томас, Морис Д. Вейр, Джоэл Хасс. Исчисление Томаса: ранние трансценденталы. — 12-е издание. — Addison-Wesley, 2010. — ISBN 978-0-321-58876-0.
  3. Джеймс Стюарт. Раздел 7.2: Тригонометрические интегралы // Исчисление — Ранние трансцендентальные теории. — Соединенные Штаты : Cengage Learning, 2012. — P. 475–6. — ISBN 978-0-538-49790-9.
  4. Христо Н. Бояджиев. Гиперболические подстановки интегралов. Дата обращения: 4 марта 2013. Архивировано 26 февраля 2020 года.