三角函数的不定积分

本文最后更新于 2025年8月30日 凌晨

sin2xcos5xdx\int sin^2xcos^5x\,dx看三角函数的积分

核心: 降次

sin2xcos5x=sin2x(1sin2x)2cosx \sin^2x \cos^5x = \sin^2x \cdot (1 - \sin^2x)^2 \cdot \cos x

u=sinxu = \sin x,则du=cosxdxdu = \cos x \, dx,即cosxdx=du\cos x \, dx = du。代入后积分转化为:
sin2x(1sin2x)2cosxdx=u2(1u2)2du \int \sin^2x (1 - \sin^2x)^2 \cos x \, dx = \int u^2 (1 - u^2)^2 \, du

先展开(1u2)2=12u2+u4(1 - u^2)^2 = 1 - 2u^2 + u^4,再与u2u^2相乘:
u2(12u2+u4)=u22u4+u6 u^2 (1 - 2u^2 + u^4) = u^2 - 2u^4 + u^6
对多项式逐项积分:
(u22u4+u6)du=u2du2u4du+u6du \int (u^2 - 2u^4 + u^6) \, du = \int u^2 \, du - 2 \int u^4 \, du + \int u^6 \, du
根据积分公式undu=un+1n+1+C\int u^n \, du = \frac{u^{n+1}}{n+1} + C,得:
=u332u55+u77+C = \frac{u^3}{3} - 2 \cdot \frac{u^5}{5} + \frac{u^7}{7} + C

u=sinxu = \sin x代入,得到最终结果:

sin3x32sin5x5+sin7x7+C \boxed{\frac{\sin^3x}{3} - \frac{2\sin^5x}{5} + \frac{\sin^7x}{7} + C}

积分方法总结

1. 第一类换元法(凑微分法)

核心思想:将复合函数的微分形式转化为新变量的积分
关键公式

f(g(x))g(x)dx=f(u)du(u=g(x))\int f(g(x))g'(x)dx = \int f(u)du \quad (u=g(x))

  • eg1eg_12xcos(x2)dx\int 2x cos(x^2)dx
    • u=x2u=x^2,则du=2xdxdu=2xdx
    • 原式=cosudu=sinu+C=sin(x2)+C\int cos u du = sin u + C = sin(x^2)+C

2. 第二类换元法(三角代换)

适用场景:处理含根号的积分
常用代换

根号形式 代换方式 关键恒等式
a2x2\sqrt{a^2-x^2} x=asinθx=a\sin\theta 1sin2θ=cos2θ1-\sin^2\theta=\cos^2\theta
a2+x2\sqrt{a^2+x^2} x=atanθx=a\tan\theta 1+tan2θ=sec2θ1+\tan^2\theta=\sec^2\theta
x2a2\sqrt{x^2-a^2} x=asecθx=a\sec\theta sec2θ1=tan2θ\sec^2\theta-1=\tan^2\theta
  • eg2eg_21x2dx\int \sqrt{1-x^2}dx

    • x=sinθx=\sin\theta,则dx=cosθdθdx=\cos\theta d\theta
    • 原式=cos2θdθ=θ2+sin2θ4+C=arcsinx2+x1x22+C\int \cos^2\theta d\theta = \frac{\theta}{2}+\frac{\sin2\theta}{4}+C = \frac{\arcsin x}{2}+\frac{x\sqrt{1-x^2}}{2}+C
  • eg3eg_31x2+1dx\int \frac{1}{\sqrt{x^2+1}}dx

    • x=tanθx=\tan\theta,则dx=sec2θdθdx=\sec^2\theta d\theta
    • 原式=secθdθ=lnsecθ+tanθ+C=ln(x+x2+1)+C\int \sec\theta d\theta = \ln|\sec\theta+\tan\theta|+C = \ln(x+\sqrt{x^2+1})+C

3. 三角函数积分技巧

核心方法

  1. 奇偶次幂拆分:对奇数次幂的三角函数拆出一次幂作为微分项
  2. 倍角公式:利用sin2x=1cos2x2\sin^2x=\frac{1-\cos2x}{2}等降次
  3. 万能代换:对混合三角函数使用t=tanx2t=\tan\frac{x}{2}
  • eg4eg_4sin3xdx\int \sin^3x dx

    • 拆分:sin2xsinxdx=(1cos2x)d(cosx)\int \sin^2x \cdot \sin x dx = -\int (1-\cos^2x)d(\cos x)
    • 结果:cosx+cos3x3+C-\cos x+\frac{\cos^3x}{3}+C
  • eg5eg_5cos3xcos2xdx\int \cos^3x\cos2x dx

    • 积化和差:cos3xcos2x=12(cosx+cos5x)\cos3x\cos2x=\frac{1}{2}(\cos x+\cos5x)
    • 结果:sinx2+sin5x10+C\frac{\sin x}{2}+\frac{\sin5x}{10}+C

注意事项

  1. 换元一致性:换元后需同步修改微分项(如du=g(x)dxdu=g'(x)dx
  2. 积分域限制:三角代换时需注意变量范围(如x=asinθx=a\sin\thetaθ[π/2,π/2]\theta\in[-\pi/2,\pi/2]
  3. 回代完整性:最终结果需用原变量表示并保留积分常数CC

练习题(附答案)

  1. xex2dx\int x e^{x^2}dx
    u=x2u=x^2,得12ex2+C\frac{1}{2}e^{x^2}+C
  2. x29xdx\int \frac{\sqrt{x^2-9}}{x}dx
    x=3secθx=3\sec\theta,得x293arccos3x+C\sqrt{x^2-9}-3\arccos\frac{3}{x}+C
  3. 1(x2+1)2dx\int \frac{1}{(x^2+1)^2}dx
    :用三角代换x=tanθx=\tan\theta,得x2(x2+1)+12arctanx+C\frac{x}{2(x^2+1)}+\frac{1}{2}\arctan x+C

三角函数的不定积分
https://www.mirstar.net/2025/08/29/indefinite-integral-trigonometric-function/
作者
onlymatt
发布于
2025年8月29日
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