写这篇文章的目的,是想和大家聊聊三角函数不定积分这块内容。我发现很多同学在遇到这类题目时,会觉得无从下手,或者即使动手去算,也容易出现这样那样的错误。今天呢,就想结合我自己的学习体会,给大家梳理一下这类问题的思路和常见解法,希望能对大家有所帮助。
咱们先来看看这类题目通常长什么样子。最基本的可能就是像 ∫sin(x) dx 这样,这是最基础的,中学就接触过了,结果是 cos(x) + C。再复杂一点,可能会遇到 ∫cos²(x) dx,或者 ∫tan(x) dx,甚至 ∫sin(x)cos(x) dx,还有 ∫sin(2x) dx 这种带复合函数的。各种组合都有可能出现,所以掌握一套系统的方法很重要。
核心思想:化繁为简,回归基本积分公式
其实,三角函数不定积分的核心思路,就是 化繁为简,最终回归到我们已经熟知的基本积分公式。我们知道的那些基本公式,比如 ∫sin(x) dx = cos(x) + C,∫cos(x) dx = sin(x) + C,∫sec²(x) dx = tan(x) + C 等等,是我们的“弹药库”。遇到复杂的题目,就是要想办法把它们“加工”成我们能用弹药库里武器解决的形式。
常用“加工”手段:
1. 降幂公式:这是处理高次幂三角函数最常用的方法。
比如,遇到 ∫cos²(x) dx,我们不能直接积分。这时候就要想起三角函数的降幂公式:
cos²(x) = (1 + cos(2x)) / 2
这样一来,原积分 ∫cos²(x) dx 就变成了 ∫(1/2 + 1/2 cos(2x)) dx。这个就容易多了,可以拆成两个基本积分:∫(1/2) dx + ∫(1/2 cos(2x)) dx。
前一个积分是 (1/2)x。
后一个积分 ∫(1/2 cos(2x)) dx,我们可以用换元法,令 u = 2x,则 du = 2 dx,dx = du/2。积分就变成 ∫(1/2 cos(u)) (du/2) = ∫(1/4 cos(u)) du = (1/4)sin(u) = (1/4)sin(2x)。
所以,∫cos²(x) dx = (1/2)x + (1/4)sin(2x) + C。
同理,对于 sin²(x),我们用降幂公式:
sin²(x) = (1 cos(2x)) / 2
处理 tan²(x) 怎么办?这时候可以利用三角恒等式:
tan²(x) = sec²(x) 1
那么 ∫tan²(x) dx 就变成了 ∫(sec²(x) 1) dx = ∫sec²(x) dx ∫1 dx = tan(x) x + C。
降幂公式的使用频率非常高,遇到 sinⁿ(x) 或 cosⁿ(x)(n ≥ 2)时,一定要首先考虑这个。
2. 三角恒等式/诱导公式:这是调整三角函数“形态”的利器。
积化和差/和差化积: 当出现两个三角函数乘积的形式时,比如 ∫sin(x)cos(2x) dx,直接积分很麻烦。这时候就可以考虑积化和差公式:
sin(A)cos(B) = 1/2 [sin(A+B) + sin(AB)]
所以,sin(x)cos(2x) = 1/2 [sin(x+2x) + sin(x2x)] = 1/2 [sin(3x) + sin(x)] = 1/2 [sin(3x) sin(x)]
积分就变成了 ∫1/2 [sin(3x) sin(x)] dx = 1/2 ∫sin(3x) dx 1/2 ∫sin(x) dx。
∫sin(3x) dx 可以通过换元 u = 3x 来算,结果是 (1/3)cos(3x)。
所以,∫sin(x)cos(2x) dx = 1/2 [(1/3)cos(3x)] 1/2 [cos(x)] + C = 1/6 cos(3x) + 1/2 cos(x) + C。
诱导公式: 比如处理 ∫sin(x)cos(x) dx,虽然可以用换元法(令 u=sin(x),du=cos(x)dx,积分就变成 ∫u du = u²/2 + C = sin²(x)/2 + C),但也可以用倍角公式 sin(2x) = 2sin(x)cos(x),所以 sin(x)cos(x) = 1/2 sin(2x)。
积分就变成 ∫1/2 sin(2x) dx。令 u = 2x,du = 2dx,dx = du/2。
∫1/2 sin(u) (du/2) = ∫1/4 sin(u) du = 1/4 cos(u) + C = 1/4 cos(2x) + C。
这里值得一提的是,sin²(x)/2 + C 和 1/4 cos(2x) + C 其实是等价的,因为 cos(2x) = 1 2sin²(x),所以 1/4 cos(2x) = 1/4 (1 2sin²(x)) = 1/4 + 1/2 sin²(x)。差一个常数项 1/4,在不定积分里常数项可以忽略。
其他恒等式: 像 tan(x) = sin(x)/cos(x),cot(x) = cos(x)/sin(x),sec(x) = 1/cos(x),csc(x) = 1/sin(x) 这些基本定义也是常常用到的。比如 ∫tan(x) dx = ∫sin(x)/cos(x) dx。这里就可以用换元法,令 u = cos(x),则 du = sin(x)dx,sin(x)dx = du。
积分变成 ∫(du)/u = ∫du/u = ln|u| + C = ln|cos(x)| + C。
还可以写成 ln|sec(x)| + C。
3. 换元积分法:处理复合函数或者能凑出微分的结构。
第一类换元法(凑微分): 这种方法非常非常关键。目标是把被积函数转化为 ∫f(g(x))g'(x) dx 的形式,令 u = g(x),则 du = g'(x)dx,积分就变成 ∫f(u)du。
例如:∫sin³(x)cos(x) dx。很明显,cos(x)dx 是 sin³(x) 的“导数部分”。令 u = sin(x),则 du = cos(x)dx。原积分变成 ∫u³ du = u⁴/4 + C = sin⁴(x)/4 + C。
再比如:∫cos(5x+2) dx。令 u = 5x+2,则 du = 5dx,dx = du/5。积分变成 ∫cos(u) (du/5) = 1/5 ∫cos(u) du = 1/5 sin(u) + C = 1/5 sin(5x+2) + C。
处理分母有平方项的也常用:∫1/(1+x²) dx 是基本公式,但如果是 ∫1/(4+x²) dx 呢?我们可以提取公因式4:∫1/[4(1+x²/4)] dx = 1/4 ∫1/(1+(x/2)²) dx。这时令 u = x/2,则 du = 1/2 dx,dx = 2du。积分变成 1/4 ∫1/(1+u²) (2du) = 1/2 ∫1/(1+u²) du = 1/2 arctan(u) + C = 1/2 arctan(x/2) + C。
4. 分部积分法:当被积函数是两个不同类型函数的乘积时考虑。
对于三角函数,很少直接用分部积分,除非是三角函数和多项式、指数函数、对数函数的乘积。比如 ∫x cos(x) dx。令 u = x, dv = cos(x)dx。则 du = dx, v = sin(x)。
∫u dv = uv ∫v du = x sin(x) ∫sin(x) dx = x sin(x) (cos(x)) + C = x sin(x) + cos(x) + C。
另外一种常见情况是,分部积分一次后,积分的形式并没有变得更简单,但结构上可能变得可以重复使用分部积分或者与其他方法结合。比如 ∫eˣsin(x) dx。令 u = sin(x), dv = eˣdx。则 du = cos(x)dx, v = eˣ。
∫eˣsin(x) dx = eˣsin(x) ∫eˣcos(x) dx。
这时候对 ∫eˣcos(x) dx 再用一次分部积分,令 u₁ = cos(x), dv₁ = eˣdx。则 du₁ = sin(x)dx, v₁ = eˣ。
∫eˣcos(x) dx = eˣcos(x) ∫eˣ(sin(x))dx = eˣcos(x) + ∫eˣsin(x) dx。
代回原式:
∫eˣsin(x) dx = eˣsin(x) (eˣcos(x) + ∫eˣsin(x) dx)
∫eˣsin(x) dx = eˣsin(x) eˣcos(x) ∫eˣsin(x) dx
把带积分的项移到一边:
2∫eˣsin(x) dx = eˣsin(x) eˣcos(x)
∫eˣsin(x) dx = 1/2 (eˣsin(x) eˣcos(x)) + C。
这种“转圈圈”的方法对处理 eˣsin(x), eˣcos(x), eˣsin(bx), eˣcos(bx) 等非常有效。
一个思考框架(遇到题目时可以这样想):
1. 看被积函数:
是基本公式可以直接积分的吗?比如 ∫cos(x) dx。
是三角函数的幂次很高吗?考虑降幂公式。
是两个三角函数乘积吗?考虑积化和差。
是被积函数里有三角函数作为复合函数的一部分吗?考虑换元法。
是被积函数是三角函数和多项式/指数/对数函数的乘积吗?考虑分部积分。
是被积函数是 tan(x), cot(x), sec(x), csc(x) 的形式吗?记得它们的积分公式,或者尝试用 sin/cos 表示后进行换元。
是被积函数有 tan²(x) 或 cot²(x) 吗?考虑恒等式化为 sec²(x) 1 或 csc²(x) 1。
2. 尝试一种方法:
如果用降幂公式,结果是否变成了基本积分?
如果用恒等式,结构是否变简单了?
如果用换元法,能否凑出 d(u) 的形式?
如果用分部积分,新的积分 ∫v du 是否比原来的 ∫u dv 简单?
3. 检查结果: 做完之后,对结果求导,看是否能回到原来的被积函数。这是验证自己计算是否正确最有效的方法。
举个综合点的例子:∫sin⁴(x)cos³(x) dx
分析: 被积函数是 sin(x) 和 cos(x) 的乘积,且幂次较高。
思路选择:
降幂公式?可以,但是会产生很多项,可能比较复杂。
换元法?看被积函数结构,sin(x) 和 cos(x) 经常互相转换。注意到 cos³(x) 包含 cos²(x) 因子,而 cos²(x) = 1 sin²(x),这是可以转化的。所以,考虑令 u = sin(x)。
执行(换元法):
令 u = sin(x),则 du = cos(x)dx。
原积分可以写成 ∫sin⁴(x) cos²(x) [cos(x)dx]。
把 cos²(x) 转化为 1 sin²(x) = 1 u²。
积分变为 ∫u⁴ (1 u²) du。
这个就非常简单了:∫(u⁴ u⁶) du = u⁵/5 u⁷/7 + C。
代回 u = sin(x):
结果是 sin⁵(x)/5 sin⁷(x)/7 + C。
检查: 对 sin⁵(x)/5 sin⁷(x)/7 求导:
d/dx (sin⁵(x)/5) = (5sin⁴(x)cos(x))/5 = sin⁴(x)cos(x)
d/dx (sin⁷(x)/7) = (7sin⁶(x)cos(x))/7 = sin⁶(x)cos(x)
所以导数是 sin⁴(x)cos(x) sin⁶(x)cos(x) = sin⁴(x)cos(x)(1 sin²(x)) = sin⁴(x)cos(x)cos²(x) = sin⁴(x)cos³(x)。
和原被积函数一致!
一些常见的陷阱和注意事项:
别忘了常数 C: 不定积分最后一定要加上积分常数 C。
换元后要代回原变量: 算出关于 u 的结果后,别忘了把 u 换回原来的变量。
化简: 很多时候计算完后,还可以对结果进行化简,比如利用三角恒等式。
多尝试: 有些题目可能不止一种解法,或者一种方法算到一半发现行不通,不要灰心,换个思路试试。
学三角函数不定积分,感觉就像是在玩积木,每种公式、恒等式、方法都是一块积木,关键是如何把它们组合起来,搭出我们想要的结果。多做题,多思考,慢慢就会找到感觉。希望今天的分享能给大家带来一些启发!