Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Higher_Mathematics_Part_2

.pdf
Скачиваний:
45
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9.73 Mб
Скачать

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

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]