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Higher_Mathematics_Part_2

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3.2.25.

(x

+ 2)dx

.

 

3.2.26.

(3

x 2)dx

.

3.2.27.

 

(x

7)dx

.

 

2

 

2

 

 

2

 

 

 

x

x 2

 

 

x

+ 8x + 17

 

4x

 

+ 3x 1

 

3.2.28.

(2x + 1)dx

 

. 3.2.29.

 

(x 4)dx

 

.

 

3.2.30.

 

 

 

 

xdx

 

.

5x

2

+ 2x + 1

 

x

2

x + 1

 

 

x

2

8x + 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Express the integrant as the sum of partial fractions and determine the resulting integral.

3.3.1.

 

 

 

3x2 + 20x + 9

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 4x +

3)(x +

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.3.

 

 

 

 

 

 

43x 67

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

x 12)(x 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.5.

 

 

 

 

 

12x

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 6x +

5)(x +

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.7.

 

 

 

 

x2 + 8x 4

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 5x +

6)(x

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.9.

 

 

 

6x2 + 6x 6

 

 

dx .

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x 2)(x + 1)

 

 

 

 

 

3.3.11.

 

 

 

3x2 + 3x 24

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

x

2)(x

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.13.

 

 

 

 

3x2 15

 

 

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 5x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 6)(x 1)

3.3.15.

 

 

 

 

6x

 

 

 

 

dx .

x

3

+ 2x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

3.3.17.

 

 

 

2x2 + 41x 91

 

 

 

dx .

(x

2

+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)(x + 2)

3.3.19.

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 8x

+ 15)(x +

1)

 

 

 

 

 

3.3.21.

 

 

 

 

6x4

 

 

dx .

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1)(x + 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.23.

 

 

 

2x2 + 12x 6

 

 

 

 

dx .

(x

2

1)

 

 

 

 

+ 8x + 15)(x +

 

3.3.2.

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

dx .

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2x + 3)(x 2)

3.3.4.

 

 

 

 

2x2 + 8x + 9

dx .

(x

2

+ x 2)(x + 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.6.

 

 

 

 

 

 

2x 7

 

 

dx .

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

5x + 6)(x + 1)

3.3.8.

 

 

 

 

 

 

5x + 17

 

 

 

dx .

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 4x + 3)(x + 5)

3.3.10.

 

 

 

 

 

37x 85

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x 3)(x

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.12.

 

 

 

 

6x2 4x + 30

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

2x 3)(x

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.14.

 

 

 

 

 

x2 19x + 6

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 5x + 6)(x

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.16.

 

 

 

 

4x2 + 32x + 52

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 6x + 5)(x +

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.18.

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x 3)(x +

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.20.

 

 

 

 

 

6x2

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 3x + 2)(x

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.22.

 

 

 

 

 

2x2 26

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 4x + 3)(x +

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.24.

 

 

 

 

 

20x2

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x 3)(x

4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

111

3.3.25.

 

 

 

x 7

 

 

 

dx .

3.3.26.

 

 

6x 21

dx .

(x

2

5x + 6)(x

+ 1)

 

(x

2

+ x 2)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.27.

 

 

 

2x4 3

 

 

 

dx .

3.3.28.

 

 

7x2 17x

 

 

dx .

(x

2

5x + 4)(x

+ 3)

(x

2

2x 3)(x 2)

 

 

 

 

 

 

3.3.29.

6x4 30x2 + 30

dx

.

3.3.30.

 

3x2 17x + 2

 

 

dx .

(x

2

1)(x + 2)

 

(x

2

+

5x + 6)(x 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Express the integrant as the sum of partial fractions and determine the resulting integral.

3.4.1.

 

x3 + 1

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.2.

x3

2x 2 2x + 1

dx .

x

3

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.3.

 

 

 

 

 

 

3x2 + 1

 

 

 

 

dx .

 

3.4.4.

 

 

 

 

x + 2

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

2

 

 

1)(x

1)

 

 

x

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.5.

4x 4

 

 

+ 8x3 3x 3

 

dx .

3.4.6.

 

 

 

 

 

 

x + 2

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ 2x

2

 

+ x

 

 

x

3

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.7.

 

2x 2

 

 

2x 1

dx .

 

3.4.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

x

2

 

x

3

 

 

 

 

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x + 1)(x + 1)

3.4.9.

 

2x3 + 1

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

3.4.10.

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

 

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.11.

 

2x2 5x + 1

dx .

 

3.4.12.

 

 

x2 + x + 2

dx .

 

 

 

 

 

 

x

3

 

2x

2

+ x

 

 

 

 

x

3

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.13.

 

 

3x 2 + 2

 

dx .

 

 

 

3.4.14.

 

4x4 + 8x3 1

dx .

 

x(x + 1)

2

 

 

 

(x

2

+ x)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. 15.

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 2

 

 

 

 

 

dx .

 

3.4.16.

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

 

2x

2

+ x

 

 

x

3

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.17.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 3

 

 

 

 

 

dx .

 

3.4.18.

 

6x 2x2 1

 

dx .

(x

2

 

1)(x 1)

 

 

x

3

 

2x

2

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.19.

 

 

x3 4x 2 1

 

dx .

 

3.4.20.

4x 4 + 8x3 2

 

dx .

 

x

3

 

2x

2

+ x

 

 

 

x(x + 1)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.21.

 

 

 

 

x3 4x + 5

 

 

dx .

 

3.4.22.

 

x 2 3x + 2

 

dx .

(x

2

 

1)(x 1)

 

 

x

3

 

+

2x

2

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

112

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.23.

 

 

 

 

x +

5

 

 

 

 

dx .

3.4.24.

 

 

3x2 7x + 2

 

dx .

x

3

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 1

 

 

 

 

x)(x 1)

3.4.25.

 

 

 

 

4x

 

 

 

 

 

dx .

3.4.26.

 

2x3 + 4x + 3

dx .

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ x

2

 

 

1)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.27.

 

 

 

2x2 + 1

 

 

dx .

3.4.28.

 

2x3

+ 5x2 1

dx .

x

3

2x

2

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x x

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

4x

3

+ 2x

2

 

 

 

 

 

3.4.29.

 

 

 

dx .

3.4.30.

 

 

+ 1

dx .

 

 

 

 

2

 

 

 

x(x 1)

2

 

 

 

x(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5. Express the integrant as the sum of partial fractions and determine the resulting integral.

3.5.1.

 

 

3x + 13

dx .

(x

2

+ 2x + 5)(x 1)

 

 

 

3.5.3.x2 6x + 8 dx .

x3 + 8

3.5.5.

 

2x2 + 2x + 20

dx .

(x

2

+ 2x + 5)(x 1)

 

 

 

3.5.7.7x 10 dx .

x3 + 8

3.5.9.4x x2 12 dx .

x3 + 8

3.5.11.

 

2x2 + 2x + 20

dx .

(x

2

+ 2x + 5)(x 1)

 

 

 

3.5.13.6 9x dx .

x3 + 8

3.5.15.4x + x + 10 dx .

x3 + 82

3.5.17.

 

(x 2 + 4x + 20)dx

.

 

2

 

(x

 

4x + 13)(x + 1)

3.5.19.

 

 

 

8

 

 

dx .

 

(x

2

+ 6x +

 

 

 

 

 

13)(x + 1)

3.5.2.

 

 

 

 

12 6x

 

(x

2

4x

+ 13)(x + 1)

 

 

 

 

3.5.4.

 

 

 

4x + 2

dx .

 

x

4 2

 

 

 

+ 4x

 

3.5.6.x2 + 3x + 2 dx .

x3 1

9(x 1)dx 3.5.8. (x 2 4x + 13)(x + 1) .

3.5.10.3 9x dx .

x3 1

3.5.12.

 

 

(4x 10)dx

.

 

 

2

 

 

(x

2x + 10)x

3.5.14.

 

(x

2 13x + 40)dx

2

4x + 13)(x + 1)

 

(x

3.5.16.

 

 

6x

 

dx .

 

x

3

1

 

 

 

 

 

3.5.18.3x + 2x + 1 dx .

x3 12

3.5.20.

 

(4x 2 + 38)dx

(x

2

 

2x + 2)(x + 2)

dx .

.

.

113

3.5.21.

 

 

 

19x x

2 34

 

dx .

3.5.22.

 

2x 2 + 7x

dx .

 

 

 

 

 

(x

2

4x +

 

 

 

 

x

3

8)

 

 

 

 

 

 

 

 

13)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.23.

 

 

 

 

36

 

 

 

dx .

3.5.24.

 

 

 

 

5x + 13

 

 

 

dx .

 

(x

2

2x +

 

 

 

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10)(x + 2)

 

 

 

+ 6x + 13)(x + 1)

3.5.25.

 

 

 

 

x2 5x + 40

dx .

3.5.26.

 

 

 

4x2 + 7x + 5

 

dx .

 

(x

2

2x +

5)(x + 2)

(x

1)(x

2

+ 2x +

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.27.

 

 

 

 

x2 + 23

 

dx .

3.5.28.

 

 

 

4x2 + 3x + 17

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x +

5)(x + 1)

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2x + 5)(x 1)

3.5.29.

 

 

5x2 + 17x + 36

dx .

3.5.30.

 

 

 

 

2x + 22

 

dx .

(x

2

+ 6x + 13)(x + 1)

(x

2

2x + 5)(x

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Topic 4. Integrals involving powers of trigonometric functions

This section shows how to integrate certain products of powers of the six trigonometric functions, sin x, cos x, tg x (tan x), ctg x (cot x), sec x, cosec x (csc x),

sin mx, cos nx and so on. Since tg x =

sin x

, ctg x =

cos x

, sec x =

1

and

cos x

sin x

cos x

 

 

 

 

cosec x = sin1 x , any such product can be expressed in the form sinnx cosmx for some integers n and m, positive, zero, or negative. The methods in this section

thus show how to compute sinn x cosm x dx for certain convenient

combinations of n and m.

The technique described in this section — a particular substitution — reduces the integration of any rational function R of sin x and cos x such as

R(sin x, cos x)dx to the integration of a rational function of t. The latter can be accomplished by partial fractions. The method depends on the fact that sin x and cos x can both be expressed as rational functions of tg 2x .

Consider – π < x < π and let t = tg 2x .

Literature: [1, section 6, ch. 6.5], [2, section 2, ch. 2.1], [4, section 7, § 22], [6, section 8], [7, section 10, § 12], [9, § 32].

114

Т.4

Main concepts

 

 

4.1. Integration of sin mx cos nx, sin mx sin nx and cos mx cos nx

In this case are given the formulas:

sin mx cos nx =

 

1

[sin(m + n)x + sin(m n)x] ,

2

 

 

sin mx sin nx =

1

 

[cos(m n)x cos(m + n)x] ,

2

 

 

 

 

cos mx cos nx =

 

1

[cos(m n)x + cos(m + n)x] .

2

 

 

4.2. Integration of sinnx cosmx

 

 

 

 

Consider the integral sinn x cosm xdx , where n and m are nonnegative integers.

4.2.1.If m = 1 and n 1 then the integral becomes: sinn x cos xdx . The substitution t = sin x turns this integral into the easy integral tndt.

4.2.2.If n = 1 and m 1 then the integral becomes: cosm xsin xdx .

The substitution t = cos x turns this integral into the easy integral tndt. 4.2.3. If m = 0 and n 3 and n = 2k + 1 is odd positive integer then the given

integral becomes sinn x dx .

Recall that d(cos x) = –sin x dx. Thus

sin2k +1x dx = sin2k x sin xdx = (1cos 2 x)k d (cos x) . This integral is easier than is given.

4.2.4.Similarly if n = 0 and m 3 and m = 2k + 1 is odd positive integer:

cos2k +1x dx = cos2k x cos xdx = (1sin 2 x)k d (sin x) .

4.2.5.If m = 0 and n 2 and n = 2k is even positive integer then the given integral becomes sin2k x dx .

Replace sin2x by

1cos2x

. Then the given integral becomes

 

2

 

 

1cos 2 x k

 

 

dx and is easier than

2

 

 

 

4.2.6. If n = 0 and m 2 and m integral becomes cos2k x dx .

is given.

= 2k is even positive integer then the given

115

Similarly replace cos2x by 1+ cos2x . 2

4.2.7. More generally to find sinn x cosm xdx , where m and n are non-

negative integers and n is odd, pair one sin x with dx to form sin x = d(cosx) and use the identity sin2x = 1 cos2x together with the substitution t = cosx. The new integrand will be a polynomial in t. A similar approach works on

sinn x cosm xdx , if m is odd, as is illustrated by example 9.

If both n and m are even in sinn x cosm xdx the method of example 9 does

not apply. It

then helps

to use the identities sin2 x =

1cos 2x

and

cos2 x = 1+ cos 2x .

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4.3. Integration of tgmx secnx

 

 

Recall that

d(tg x) = sec2

x dx and d(sec x) = sec x tg x dx. These formulas

facilitate the computation of tgmx secnx dx m and n nonnegative integers, when

m is odd or n is even. When m is odd , form sec x tg x dx , when n is even, form sec2x dx.

4.4. Description of the method

The method depends on the fact that cos x and sin x can both be expressed

as rational functions of

 

tg

 

 

x

= t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The substitution t = tg

 

x

 

 

x

= arctg t x = 2arctg t

dx =

2dt

,

thus leads to the formulas:

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x =

 

2t

 

 

,

cos x =

1t 2

and

dx =

 

2

dt .

 

 

 

 

 

+ t 2

 

1+ t 2

 

+ t 2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

This substitution transforms any integral of a rational function of cos x and sin x into an integral of a rational function of t. The resulting rational function can then be integrated by the method of partial fractions.

This method is used to integrate a function such as

dx . a cos x + b sin x + c

Keep in mind that the substitution t = tg 2x is called upon only when easier ways, such as those in the preceding section, don’t work.

116

Summary of this section

The following table summarizes the techniques discussed and similar ones for other powers of trigonometric functions.

Table 2.2

Integrand

 

 

 

 

 

 

 

Technique

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

sin2x

 

 

 

 

Write sin2x as

1cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

cos2x

 

 

 

 

Write cos2x as

1+ cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

sinnx (n odd)

 

 

Write sinnx dx = sinn - 1x(sin x dx) and

 

 

 

 

 

 

use t = cos x; hence 1 – t2 = sin2x

 

 

 

4

cosmx sinnx

Write cosmx sinnx dx = cosmx sinn - 1x(sin x dx) and

 

(n odd)

 

 

 

use t = cos x; hence 1 – t2 = sin2x

 

 

 

5

cosmx sinnx

Write cosmx sinnx dx = cosm - 1 x sinnx (cos x dx) and

 

(m odd)

 

 

 

use t = sin x; hence 1 – t2 = cos2x

 

 

 

6

cosmx sinnx

Replace cos2x by

1+ cos2x

 

and sin2x by

1cos2x

 

(m and n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

positive even

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integers)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

tgmx secnx

Write tgmx secnx dx as tgmx secn -2 x (sec2x dx) and

 

(n 2 even)

 

 

 

use t = tg x; hence 1 + t2 = sec2x

 

 

 

 

8

tgmx secnx

Write tgmx secnx dx as tgm - 1x secn - 1 x (tg x sec x dx)

 

(m odd)

 

 

and use t = sec x; hence t2 – 1 = tg2x.

 

9

tgnx (n 2)

Write tgnx= tgn - 2x tg2x = tgn – 2x sec2 x - tgn – 2x and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

repeat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

sec x

 

 

 

sec x dx = ln |sec x + tg x| + C

 

 

 

 

11

ctgmx cosecnx

Write ctgmx cosecnx as ctgmx cosecn - 2x (cosec2 x dx)

 

(n 2 even)

and use t = ctg x; hence 1 + t2 = cosec2x

12

ctgmx cosecnx

Write ctgmx cosecnx as ctgm - 1x cosecn - 1x (сtg x

 

(m odd)

cosec x dx) and use t = cosec x; hence t2 - 1= ctg2x

13

tgmx secnx(m

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

x + 1

 

 

 

 

 

 

and n even)

 

 

 

 

Replace sec x by tg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

sin

n

 

1

 

 

n1

 

 

 

 

n 1

sin

n2

xdx

 

sinn x

 

xdx

= − n cos xsin

 

 

x +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

15

 

cos

n

 

 

1

 

 

n1

 

 

 

n 1

cos

n2

 

 

cosn x

 

x dx =

 

sin x cos

 

 

x +

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

secn2 x tg x

 

 

n 2

sec

n2

 

 

 

secn x (n 2)

secn x dx =

n 1

 

+

 

 

 

 

 

x dx

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

117

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.4

Typical problems

 

 

Find the integrals 1. sin 2x cos 6xdx .

Solution. Since sin 2x cos 6x = 12 (sin 8x sin 4x) , then

sin 2x cos 6xdx = 12 (sin 8x sin 4x)dx = − 161 cos 8x + 18 cos 4x + C .

2.cos2 xdx .

Solution. Replace cos2x by

 

1+ cos2x , then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

2

xdx =

1+ cos 2x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

dx = 2 dx + 2 cos 2xdx =

2 x +

4 sin 2x + C.

 

3.

I = sin4 2xdx .

 

 

 

 

 

 

 

1cos2x , then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Replace sin2x by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = (sin

2

2

=

1 cos4x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x) dx

 

 

 

 

 

2

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(12 cos 4x + cos

 

4x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

2

1

 

 

 

2 cos 4x +

1+ cos8x

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

1

 

 

 

2

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

2 cos 4x +

 

 

 

cos8x dx =

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

sin 4x +

 

 

 

sin 8x

+ C=

4

2

2

 

4

2

 

 

4

2

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

3 x 1 sin 4x +

 

 

1

 

sin 8x + C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

64

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

sin 5 xdx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. sin 5 xdx = sin 4 x sin xdx = (1cos2 x)2 sin xdx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (1cos2 x)2 d(cos x) =

 

cos x = t

 

= −(1t 2 )2 dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −(12t 2 + t 4 )dt = − t +

2

t 3

t 5

 

+ C = − cos x +

2

cos

3 x

cos5 x

 

+ C .

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

5.

tg5 xdx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Multiplying the integrand we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

118

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg

5

 

xdx

 

=

tg x

(tg

2

x)

2

dx = tg x (

 

1

 

 

1)

2

dx

=

 

 

tg x

 

 

dx

 

 

 

 

 

cos

2

 

 

 

 

 

cos

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

2

 

 

tg x

 

 

dx +tg xdx =

sin x

 

dx

2tg xd tg x

+

 

 

sin x

dx =

 

 

 

cos

2

 

 

cos

5

x

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

d cos x

tg

2

x

d cos x

=

 

 

1

 

 

 

 

tg

2

x

ln

 

cos x

 

+ C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

cos x

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

x

 

 

 

 

 

 

4 cos

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. sin7 3xdx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Recall that d(cos 3x) = 3sin 3x dx. Thus:

sin7 3xdx = sin6 3x sin 3xdx = − 13 (1cos2 3x)3 d (cos3x).

Let t = cos3x, we obtain then

sinn 3xdx = −

1

(1t2 )3 dt =

 

 

3

 

 

 

1

(13t

2

 

4

 

 

6

)dt = −

1

 

3

 

3

 

5

 

1

 

6

 

 

 

= −

 

 

+ 3t

 

t

 

 

t t

 

+

 

t

 

 

t

 

3C

=

3

 

 

 

3

 

5

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=13 cos3x + 13 cos3 3x 15 cos5 3x + 181 cos6 3x + C.

7.sin5 x cos xdx .

Solution.

The substitution sin x = t transforms the given integral into

sin5 x cos xdx = sin5 xd(sin x) = t5 dt =

t6

+ C =

sin6 x

+ C .

 

 

6

6

 

8. I = sin4 xcos5 xdx.

Solution.

Let’s represent the product of cos x and dx as cos x dx = d(sin x), which suggests the substitution t = sin x:

I = sin4 xcos4 xd(sin x) =

= sin4 x(1 sin2 x)2 d(sin x) = t 4 (1 t 2 )2 dt = t 4 (1 2t 2 + t 4 )dt =

(t 4 2t6 + t8 )dt =

t5

2t7

+

t9

+ C = sin5 x

2sin7 x

+ sin9 x

+ C.

 

7

 

7

5

 

9

5

 

9

 

9. I = sin4 xcos2 xdx.

119

Solution. I = (sin

2

2

 

2

xdx =

1 cos2x 2

1 + cos2x

dx

=

 

 

 

 

x) cos

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1 (12 cos 2x + cos2

2x)(1+ cos 2x)dx =

 

 

 

 

 

 

1

(1cos 2x

8

 

 

 

 

2x)dx =

1

x

 

sin 4x

 

sin3

2x

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

=

 

cos

 

2x + cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ C.

8

 

 

8

2

8

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Find tgm x dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Keep in mind that tgx = sec2x

and that tg2x = sec2x 1. The steps

are few: tgm x dx = tgm2 x tg2 xdx = tgm2 x (sec2 x 1)dx =

 

 

 

 

= tgm2 x sec2 xdx tgm2 xdx = t = tg x =tm2dt tgm2 xdx =

=tgm1 x tgm2 xdx. m 1

Repeated application of this recursion eventually produces tg xdx or

tg0 xdx. Both are easily computed: tg xdx = − ln

 

cos x

 

+ C;

tg0 xdx = x + C.

 

 

11. Obtain a recursion formula for secn xdx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Write secnx as secn 2x sec2x and use integration by parts:

 

secn2 x sec2 xdx =

 

u = secn2

x du =

(

n 2

)

secn2

x tg xdx

 

=

 

 

 

dv = sec

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx v = tg x

 

 

 

= secn2 tg x tg x (n 2)secn2 x tg xdx = secn2 x tg x

 

(n 2)secn2 x(sec2 x 1)dx = secn2 x tg x (n 2)secn xdx +

+ (n 2)secn2 xdx. Collecting secn x dx, we obtain

(n 1)secn xdx = secn2 x tg x + (n 2)secn2 xdx and therefore

secn xdx =

secn2 x tg x

+

 

n 2

 

secn2 dx .

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

12. sec xdx.

 

dx

 

cos x dx

 

 

 

cos x dx

 

 

 

Solution. sec xdx =

=

=

=

 

 

cos x

cos

2

x

1 sin

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

t = sin x;

 

=

 

 

dt

 

 

= 1 ln

 

1+ t

 

+ C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt = cos x dx.

1

t

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1t

 

 

 

 

 

 

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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