三角函数幂的积分
By 苏剑林 | 2011-07-22 | 47477位读者 |昨天在研究一个最优化问题时,遇到了一个这样的积分:
$$\int \frac{1}{\cos^3 \theta} d\theta$$
然后就顺便研究了一下这种类型的函数的积分。一般来讲,这类积分可以写成$\int cos^n \theta d\theta$或$\int sin^n \theta d\theta$,其中n是一个整数。
首先我们来解决n=1的情况,我们很容易就有$\int cos\theta d\theta=sin\theta +C$或$\int sin\theta d\theta=-cos\theta +C$,这是一个基本的结果。
如果n是大于1的正整数,那么可以用递推的方法来搞定:
$$\begin{aligned}\int \cos^n \theta d\theta=\int \cos^{n-1} \theta d(\sin\theta)=\cos^{n-1} \theta \sin\theta-\int \sin\theta d(\cos^{n-1}\theta) \\ =\cos^{n-1} \theta \sin\theta+(n-1)\int \sin^2\theta \cos^{n-2}\theta d\theta \\ =\cos^{n-1} \theta \sin\theta+(n-1)\int (1-\cos^2\theta) \cos^{n-2}\theta d\theta \\ =\cos^{n-1} \theta \sin\theta+(n-1)\int \cos^{n-2}\theta d\theta-(n-1)\int \cos^n\theta d\theta\end{aligned}$$
(这里运用了分部积分法)
即$n\int cos^n \theta d\theta=cos^{n-1} \theta sin\theta+(n-1)\int cos^{n-2}\theta d\theta$
$$\int \cos^n \theta d\theta=\frac{1}{n}[\cos^{n-1} \theta \sin\theta+(n-1)\int \cos^{n-2}\theta d\theta]$$
这样就完成了递推。关于正弦也有类似公式,这里直接写出:
$$\int \sin^n \theta d\theta=\frac{1}{n}[-\sin^{n-1} \theta \cos\theta+(n-1)\int \sin^{n-2}\theta d\theta]$$
不过,我昨晚想到将其变为多项式积分来算:
$$\int \cos^n \theta d\theta=\int \cos^{n-1} \theta d(\sin\theta)$$
如果令$sin\theta=x$,则积分成了
$$\int (1-x^2)^{\frac{n-1}{2}} dx$$
要是n是奇数(正或负都行)的话,这个积分是相当好办的。要是它是偶数或其它有理数的话,就需要用到超几何函数(Hypergeometric Function)来表达。这里只对n是奇数进行讨论。
当n是正数时,直接多项式展开进行积分,不再讨论。当n是负数时,相当于讨论积分
$$\int \frac{1}{(1-x^2)^k} dx$$
其中k是正整数。当k=1时,有
$$\int \frac{1}{1-x^2} dx=\frac{1}{2} ln|\frac{1+x}{1-x}|$$
当k > 1时,我们即$\int \frac{1}{(1-x^2)^k} dx=I_k$,有
$$\begin{aligned}I_k=\int \frac{1-x^2+x^2}{(1-x^2)^k} dx=I_{k-1}+\int \frac{x^2}{(1-x^2)^k} dx \\ =I_{k-1}-\frac{1}{2}\int \frac{x}{(1-x^2)^k} d(1-x^2) \\ =I_{k-1}+\frac{1}{2(k-1)}\int x d[(1-x^2)^{1-k}] \\ =I_{k-1}+\frac{1}{2(k-1)}[x (1-x^2)^{1-k}-\int (1-x^2)^{1-k}dx] \\ =(\frac{2k-3}{2k-2})I_{k-1}+\frac{x}{2(k-1)(1-x^2)^{k-1}}\end{aligned}$$
递归完毕。
这里直接写出我可能用到的结果:
$$\int \frac{1}{\cos^3 \theta} d\theta=\frac{1}{4}(\frac{2\sin \theta}{\cos^2 \theta}+ln|\frac{1+\sin \theta}{1-\sin \theta}|)$$
$\int \frac{1}{sin^3 \theta} d\theta=-\frac{1}{4}(\frac{2cos \theta}{sin^2 \theta}+ln|\frac{1+cos \theta}{1-cos \theta}|)$
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July 30th, 2011
太复杂了啊
是吗?其实还是一般啦,《数学分析》本来就面临着各种各样繁琐的运算,但是这些运算都有很统一的规律。
奇怪啊,我昨天明明打的是拼音啊,怎么搞的今天看到成汉字了
我帮你改了一下,方便大家阅读^_^