当前课程知识点:微积分(先修课) > 第六章 积分法与反常积分 > 6.3 有理函数的积分法 > 6.3.2 有理函数的积分法(2)
同学们大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第六章
积分法与反常积分
第三节有理函数的积分法
在前面我们已经介绍了
有理函数的积分
我们知道有理函数的积分问题
在理论上已经彻底解决
在这讲中
我们将介绍
另外一类特殊函数的积分
即三角有理式的积分
下面我们来看一下
三角有理式的积分
首先我们介绍一下
什么叫三角有理式
有sinx cosx以及常数
经过有限次的
四则运算得到的函数
我们就称作是三角有理式
一般用记号R sinx cosx来表示
下面我们来介绍一下
关于三角有理式的积分
从理论上讲
我们是根据有关的三角关系式
通过变量替换
将三角有理式
转化成一般的有理函数
这样我们就把
三角有理式的积分问题
转化成了有理函数的积分问题
下面我们介绍一下
我们常用的变量替换
我们令tan2分之x等于变量t
那么我们就知道x是2倍的arctant
dx就等于2除上
1加t的平方再乘上bt
因为sinx根据三角关系式
我们知道它是等于两倍的tan2分之x
再除上1加上tan平方2分之x
也就是引进了上面的变量替换时
sinx就可以用2倍的t
除上1加t方来表示
同样的
利用有关的三角关系式
有了上面这个变量替换之后
cosx就可以写成是
1减t方再除上1t方
我们将t与x的关系
代入我们考虑的
这个有理函数的不定积分
那么这个不定积分
就转化成了积分变量时提的
一个不定积分
我们根据三角有理式的定义
我们知道这个关于t的被积函数
通过整理之后
它一定是可以写成t的一个多项式
再除上t的另外一个多项式
我们分别用Q和P来表示
分子和分母上的这个多项式
也就是说如果我们用
t来表示tan2分之x
那么我们就可以把
三角有理式的不定积分问题
转化成了一个
有理函数的不定积分问题
所以说从理论上讲
通过这样的变量替换公式
总可以处理三角有理式的积分
这个变量替换公式
我们也称了是半角万能变换公式
这就是我们处理
半角有理式的一个常用的
一般的思路
下面我们看几道具体的题目
例1我们求1除上1加sinx再加cosx
它的不定积分
在这个不定积分中
被积函数是一个简单的三角有理式
我们就作半角万能变换
也就是令tan2分之x等t
我们将x与t的关系
代入被积函数
我们就将我们要求的不定积分
转化成了一个关于t的不定积分问题
我们将这个被积函数进行整理
就会得到这个被积函数
就是t加1分之1
那么它的原函数
就是ln1加t绝对值
再加上积分常数C
我们将t与x的关系带回
就得到了我们要求的不定积分式
1加tan2分之x绝对值
取自然对数
再加上积分常数C
这就是利用半角万能变换处理的
一个简单的三角有理式的
不定积分问题
下面我们看第二道例题
我们计算1除上1加两倍的cosx
在0到2分之π上的定积分值
在这个定积分中
被积函数也是一个
简单的三角有理式
我们直接做半角万能变换
也就是令tan2分之x等t
那么dx就等于2除上1加t方乘dt
而且我们知道x等0对应的t等0
x等二分之π对应的t等1
这样利用定积分的换元积分公式
我们就得到了我们要求的定积分
就变成了一个关于t的被积函数
在0到1这个区间上的定积分值
我们对这被积函数进行整理
就会发现这个被积函数
就是2除上3减t方
我们要求这个函数
在0到1上的定积分
2除上3减t方
我们可以给它分解成
是根下3减t分之1
再加上根下3加t分之1
这样我们就求出了它的原函数
那么利用牛顿莱布尼兹公式
就得到了我们要求的
定积分的结果是
3分之根下3再乘上根下3加1
除上根下3减1的自然对数
我们来看第三道例题
我们求sinx
除上5加4倍的cosx的不定积分
我们首先利用半角万能变换
也就是令tan2分之x等于t
那么我们将x与t的关系
代入被积表达式
就会得到了一个新的
关于t的不定积分问题
我们对关于t的这个函数进行整理
就会发现我们的被积函数
是4倍的t
除上1加t方再乘上9加t方
这是一个简单的真分式
我们将这个真分式
分解成两个最简分式之和
这两个最简分式分别是
二分之一倍的t除上1加t方
和负的二分之一倍的t
除上9加t方
而对这两个最简分式
它的不定积分
我们利用凑微分法
就可以得到它的原函数
分别是4分之1倍的ln1加t方
再减去4分之1倍的ln9加t方
我们将t与x的关系代回
并且利用三角关系式
进行变形
最后我们可以将
我们要求的不定积分
表示为负的4分之1倍的
ln5加上四倍的cosx
再加上积分常数C
对于这个例题
尽管被积函数的形式并不复杂
但是我们用了半角万能变换之后
变成了有理函数积分
整个计算量还是比较大的
事实上对这个不定积分
大家应该能看出来
sinx自然可以看成是
负的cosx的导数
那么sinx就可以凑成是
负的4分之1倍的
5加4倍的cosx的导数
我们利用错误用法
就很容易得到了它的不定积分
就是负的4分之1倍的
ln5加上4倍的cosx
再加上积分常数C
我想通过这个例题给大家强调的是
对于三角有理式的积分
尽管我们得到了所谓的万能变换
但事实上在处理具体的
三角有理式的积分问题时
我们首先想到的可能不是万能变换
而是根据具体的被积函数的特点
我们通过利用有关的三角变形
对这样的积分问题进行处理
下面我们来看最后一道例题
我们求两倍的sinx加上cosx
再除上sinx加上两倍的cosx的不定积分
这个不定积分中的被积函数
也是一个简单的三角有理式
但对于这种形式的被积函数
我们不用所谓的万能变换
我们用下面的方法进行处理
也就是我们将被积函数
分解成两部分之和
第一部分实际上
分子就是常数乘上分母
常数A乘上括号里面
sinx加上两倍的cosx
第二部分的分子
就是常数乘上分母的导数
我们就将这个被积函数
分解成这两部分之和
如果我们能够求出待定系数
A和B的值
那么我们就将这个不定积分问题
彻底解决了
我们看一下怎么样求
待定系数A和B的值
我们将上面等式的右端进行运算
并且以sinx和cosx作为公因子合并
我们就会得到等式的最右端
它的分子就是A减2倍的B
再乘上sinx
再加上两倍的A加B乘上cosx
我们比较这个等式最左端和最右端
它的分子就会得到
两被的sinx加上cosx
总是等于A减2倍的B乘上sinx
再加上两倍的A加上B乘cosx
这个等式要想恒成立
那么A减两倍的B一定是等于2
两倍的A加上B应该等于1
也就是说sinx和cosx
对应的系数应该相等
这样就得到了AB满足的
一个一次方程组
我们求出A和B的值
分别是5分之4和负的5分之3
所以我们要求的不定积分
就变成了我们要求5分之4
减掉5分之3
再乘上分母的导数乘上分母
它的不定积分
最后的结果是5分之4倍的x
减掉5分之3倍的lnsinx
加上两倍的cosx绝对值加C
最后这个例题中
这个处理的方法
不依赖于我们这个表达式中
系数的大小
也就是说对于
这个形式的三角有理式
也就是asinx加上bcosx
除上psinx加上qcosx
对于这种形式的三角有理式来说
我们求它的不定积分问题时
总是可以把它变成
两个简单的不定积分之和
用的仍然是待定系数的方法
在这讲中
我们介绍了三角有理式的概念
并给出的利用半角换元
将三角有理式的积分
转化为有理函数积分的方法和结论
关于三角有理式的积分
除了我们介绍的半角换元之外
还有利用全角换元
将其转化为有利函数积分的方法
尽管半角换元
或全角换元
都称为万能换元公式
但这更多的是强调其理论意义
也就是说同我这样的换元
一定能将三角有理式的积分
转化成有立函数的积分
事实上我们在处理
具体三角有理式的积分时
一般的更多的是利用三角关系式
寻找简单的特殊方法
比如说当分子和分母都是sinx
和cosx的线性组合时
就有比万能公式更简单的方法
下一讲将介绍
定积分的几个应用问题
谢谢同学们
下一讲再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
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