انتگرال نامعین (توابع مثلثاتی)

آخرین ویرایش: 06 اسفند 1402
دسته‌بندی: انتگرال
امتیاز:

محاسبه انتگرال به‌فرم ∫fsinx,cosxdx

برای محاسبه انتگرال توابعی از سینوس یا کسینوس به‌صورت ∫fsinx,cosx  dx می‌توان از تغییر متغیر u=tanx2 استفاده کرد:

if   u=tanx2

⇒du=121+tan2x2  dx

⇒du=121+u2  dx

⇒dx=21+u2  du

sinx=2tanx21+tan2x2=2u1+u2

cosx=1−tan2x21+tan2x2=1−u21+u2

به‌طور کلی اگر تابعی برحسب سینوس یا کسینوس باشد، داریم:

∫fsinx,cosx  dx=∫f2u1+u2,1−u21+u2.21+u2  du

تمرین

انتگرال های زیر را محاسبه کنید.

I=∫1sinx  dx

u=tanx2⇒du=121+tan2x2  dx⇒du=121+u2  dx⇒dx=21+u2  du


I=∫1sinx  dx    ;    sinx=2u1+u2⇒I=∫1 2u1+u2⋅21+u2  du⇒I=∫1+u22u⋅21+u2  du

⇒I=∫1u  du⇒I=Lnu+c⇒I=Lntanx2+c

I=∫1cosx  dx

u=tanx2⇒du=121+tan2x2  dx⇒du=121+u2  dx⇒dx=21+u2  du


I=∫1cosx  dx     ;    cosx=1−u21+u2⇒I=∫1 1−u21+u2.21+u2  du

⇒I=2∫1+u21−u2.11+u2  du⇒I=2∫11−u2  du⇒I=2I1    ;    A

⇒I=2−12Ln1−tanx2+12Ln1+tanx2

⇒I=Ln1+tanx21−tanx2+c⇒I=Lntanπ4+x2+c


 A   :   I1=∫11−u2  du

11−u2=11−u1+u⇒11−u2=A1−u+B1+u

⇒11−u2=A1+u+B1−u1−u1+u

⇒1≡A1+u+B1−u⇒1≡A+Au+B−Bu⇒1≡uA−B+A+B⇒A−B=0A+B=1    B=12A=12


I1=∫11−u2  du⇒I1=∫ 121−u+ 121+u  du

⇒I1=12∫11−u  du+12∫du1+u

⇒I1=−12Ln1−u+12Ln1+u

⇒I1=−12Ln1−tanx2+12Ln1+tanx2

دریافت مثال

تذکر

تمام انتگرال های به‌صورت ∫11±cosx  dx    ,    ∫11±sinx  dx را علاوه بر روش فوق با استفاده از ضرب صورت و مخرج در مزدوج مخرج می‌توان به‌سادگی محاسبه کرد.

تمرین

انتگرال های زیر را محاسبه کنید.

I=∫11+sinx  dx

I=∫11+sinx  dx⇒I=∫11+sinx.1−sinx1−sinx  dx⇒I=∫1−sinx1−sin2x  dx⇒I=∫1−sinxcos−2x  dx

⇒I=∫cos−2x−sinx.cos−2x  dx

⇒I=∫1+tan2x−sinx.cos−2x  dx

⇒I=∫1+tan2x  dx−∫sinx.cos−2x  dx

⇒I=tanx−1cosx+c

I=∫11+cosx  dx

I=∫11+cosx  dx

⇒I=∫11+cosx⋅1−cosx1−cosx  dx

⇒I=∫1−cosx1−cos2x  dx⇒I=∫1−cosxsin2x  dx⇒I=∫1−cosxsin−2x  dx

⇒I=∫sin−2x−cosx.sin−2x  dx

⇒I=∫sin−2x  dx−∫cosx.sin−2x  dx

⇒I=∫csc2x  dx−∫cosx.sin−2x  dx

⇒I=−cotgx+1sinx+c

دریافت مثال

محاسبه انتگرال به‌فرم∫fsin2nx,cos2nxdx

برای محاسبه انتگرال توابعی از سینوس یا کسینوس به‌صورت ∫fsin2nx  ,  cos2nx  dx می‌توان از تغییر متغیر u=tanx استفاده نمود.

if   u=tanx

⇒du=1+tan2x  dx

⇒du=1+u2  dx

⇒dx=11+u2  du

sin2x=tan2x1+tan2x=u21+u2

cos2x=11+tan2x=11+u2

I=∫fsin2x , cos2x  dx=∫fu21+u2,11+u2  11+u2  du

تمرین

انتگرال های زیر را محاسبه کنید.

I=∫12−sin2x  dx

if   u=tanx⇒du=1+tan2x  dx

⇒du=1+u2  dx⇒dx=11+u2  dusin2x=tan2x1+tan2x=u21+u2


I=∫12−sin2x  dx

⇒I=∫12−u21+u2⋅11+u2  du

⇒I=∫1+u22+u2.11+u2  du⇒I=∫12+u2  du⇒I=∫122+u2  du    ;    A⇒I=12Arctanu2⇒I=12Arctantanx2+c


A   :∫1a2+u2  du=1aArctanua

I=∫1a2sin2x+b2cos2x  dx

if   u=tanx                   ⇒du=1+tan2x  dx ⇒du=1+u2  dx      ⇒dx=11+u2  du       


I=∫1a2sin2x+b2cos2x  dx

⇒I=∫ 11+u2a2u21+u2+b211+u2  du

⇒I=∫1a2u2+b2  du⇒I=1a2∫1u2+b2a2  du


⇒I=1a2∫1u2+ba2  du    ;    A⇒I=1a2.1ba.Arctanuba+c⇒I=1abArctanabu+c⇒I=1abArctanabtanx+c


 A   :∫1a2+u2  du=1aArctanua

دریافت مثال

حالت اول

اگر b+c,a+c هم‌علامت باشند، آن‌گاه:

 b+c.a+c>0

∫1u2a+c+b+c  du

=∫1a+cu2+b+ca+c  du

=1a+c∫1u2+b+ca+c  du

=1a+c.1b+ca+c.Arctanub+ca+c+c

حالت دوم

اگر b+c,a+c مختلف‌العلامه باشند، آن‌گاه:

b+c.a+c<0

∫1u2a+c+b+c  du

=∫1a+cu2+b+ca+c  du  

=1a+c∫1u2+b+ca+cdu

=1a+c.12b+ca+cLnb+ca+c−xb+ca+c+x+c

یادآوری می‌کنیم که:

I=∫1x2−a2  dx=12aLna−xa+x+c

محاسبه انتگرال به‌فرم ∫acosx+bsinxccosx+dsinx  dx

برای محاسبه این انتگرال ها باید صورت کسر را به فرم حاصل جمع دو عبارت بنویسیم که یکی برابر مخرج کسر و دیگری برابر مشتق مخرج کسر باشد.

توجه شود که صورت و مخرج می‌توانند مقادیر ثابت هم داشته باشند.

(مشتق مخرج )+M(مخرج کسر)=Lصورت کسر

M و L باید محاسبه شوند.

I=∫acosx+bsinxccosx+dsinx  dx

⇒I=∫Lccosx+dsinx+M−csinx+dcosxccosx+dsinx  dx

⇒I=∫L+M−csinx+dcosxccosx+dsinx  dx

⇒I=Lx+M  Lnccosx+dsinx+c

L=ac+bdc2+d2M=ad−bcc2+d2

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫26sinx−13cosx4sinx−7cosx  dx

26sinx−13cosx=L4sinx−7cosx+M4cosx+7sinx

26sinx−13cosx=4L+7Msinx+4M−7Lcosx

4L+7M=264M−7L=−13M=2L=3


I=∫26sinx−13cosx4sinx−7cosx  dx

⇒I=∫L4sinx−7cosx+M4cosx+7sinx4sinx−7cosx  dx

⇒I=∫34sinx−7cosx+24cosx+7sinx4sinx−7cosx dx

⇒I=∫3+24cosx+7sinx4sinx−7cosx  dx⇒I=3x+2Ln4sinx−7cosx+c

دریافت مثال

محاسبه انتگرال به‌فرم ∫sinnx  dx ∫cosnx  dx

حالت اول

اگر n∈Z و عددی فرد و مثبت باشد:

در این حالت یک سینوس یا کسینوس از عبارت جدا کرده و بقیه را که توانش زوج است با استفاده از روابط sin2x=1−cos2xcos2x=1−sin2x به‌نسبت دیگر تبدیل کرده سپس مانند سایر انتگرال ها حل می‌کنیم.

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫cos5x  dx

I=∫cos5x  dx⇒I=∫cosx.cos4x  dx⇒I=∫cosx.cos2x2  dx⇒I=∫cosx.1−sin2x2  dx

⇒I=∫cosx1−2sin2x+sin4x  dx

⇒I=∫cosx−2cosx.sin2x+cosx.sin4x  dx

⇒I=sinx−23sin3x+15sin5x+c

دریافت مثال

حالت دوم

اگر n∈Z و عددی زوج و مثبت باشد: 

در این حالت مرتبا از فرمول های زیر استفاده می‌کنیم تا هیچ توان زوجی وجود نداشته باشد:

sin2x=1−cos2x2cos2x=1+cos2x2

در این‌صورت انتگرال هر جمله قابل محاسبه است، اگر به حالت توان فرد تبدیل شود به‌صورت الف بررسی می‌کنیم.

تذکر

در محاسبه انتگرال های نامعین گاهی ممکن است جواب‌های به ظاهر متفاوت، پیدا کنیم به‌ویژه در توابع مثلثاتی.

در این‌صورت این جواب‌ها با استفاده از فرمول ها به یک‌دیگر قابل تبدیل می‌باشند، فقط تفاوت در مقادیر ثابت است.

∫sin2x  dx=−12cos2x+c 

⇒∫sin2x  dx=−122cos2x−1+c

⇒∫sin2x  dx=−cos2x+c1

⇒∫sin2x  dx=−1−sin2x+c1 

⇒∫sin2x  dx=sin2x+c2

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫sin4x  dx

I=∫sin4x  dx⇒I=∫sin2x2  dx⇒I=∫1−cos2x22  dx

⇒I=14∫1+cos22x−2cos2x  dx

⇒I=14∫1+1+cos4x2−2cos2x  dx

⇒I=18∫2+1+cos4x−4cos2x  dx

⇒I=18∫3+cos4x−4cos2x  dx

⇒I=183x+14sin4x−42sin2x+c

⇒I=38x+132sin4x−14sin2x+c

دریافت مثال

محاسبه انتگرال به‌فرم ∫sinmx.cosnx  dx

حالت اول

با فرض این‌که از دو عدد n و m متعلق به اعداد صحیح، لااقل یکی فرد باشد، به‌صورت زیر عمل می‌نماییم:

فرض کنیم که n فرد است:

n=2k+1

I=∫sinmx⋅cosnx  dx

⇒I=∫sinmx⋅cos2k+1x  dx

⇒I=∫sinmx.cos2kx⋅cosx  dx

⇒I=∫sinmx1−sin2xk⋅cosx  dx    ;    A

⇒I=∫um1−u2k⋅cosx⋅1cosx  du

⇒I=∫um1−u2k⋅ du

انتگرال فوق در عمل به‌راحتی قابل حل است.

 A   :   u=sinx⇒du=cosx  dx⇒dx=1cosx  du

تذکر

اگر دو عدد n و m هر دو فرد باشند، باز هم حالت بالا صادق است در این‌صورت فاکتور سینوس یا کسینوس را از آن که توانش کم‌تر باشد جدا می‌کنیم.  

تمرین

انتگرال های زیر را محاسبه کنید.

I=∫sin3x⋅cos2x  dx

I=∫sin3x⋅cos2x  dx⇒I=∫sin2x⋅sinx⋅cos2x  dx

⇒I=∫1−cos2x.sinx⋅cos2x  dx

⇒I=∫sinx⋅cos2x  dx−∫cos4x⋅sinx  dx    ;    A

⇒I=−13cos3x−−15cos5x+c

⇒I=15cos5x−13cos3x+c


 A  :  ∫sinu⋅cosnu  du=−1n+1cosn+1u+c

I=∫sin22x.sin3x  dx

I=∫sin22x.sin3x  dx

⇒I=∫2sinx⋅cosx2⋅3sinx−4sin3x  dx

⇒I=∫4sin2x⋅cos2x3sinx−4sin3x  dx

⇒I=∫12sin3x⋅cos2x−16sin5x⋅cos2x  dx

⇒I=12∫sin3x⋅cos2x  dx−16∫sin5x⋅cos2x  dx

⇒I=12I1−16I2    ;    A

⇒I=1215cos5x−13cos3x−16−13cos3x+25cos5x−17cos7x+c


 A:

I1=∫sin3x⋅cos2x  dx=∫sinx⋅sin2x⋅cos2x=∫sinx⋅1−cos2x⋅cos2x  dx

⇒I1=∫sinx⋅cos2x  dx−∫sinx⋅cos4x  dx=−13cos3x−−15cos5x=15cos5x−13cos3x


یادآوری)

∫sinu⋅cosnu  du=−1n+1cosn+1u+c


A:I2=∫sin5x⋅cos2x  dx⇒I2=∫sinx⋅sin4x⋅cos2x  dx⇒I2=∫sinx⋅sin2x2⋅cos2x  dx

⇒I2=∫sinx.1−cos2x2.cos2x  dx

⇒I2=∫sinx1−2cos2x+cos4xcos2x  dx

⇒I2=∫sinx.cos2x  dx−2∫sinx.cos4x  dx+∫sinx.cos6x  dx

⇒I2=−13cos3x−2−15cos5x+−17cos7x

⇒I2=−13cos3x+25cos5x−17cos7x

دریافت مثال

حالت دوم

با فرض این‌که از دو عدد n و m هر دو زوج باشند، می‌توان از فرمول های sin2x=1−cos2x2cos2x=1+cos2x2 استفاده نمود.

روش دیگری موجود است به این‌صورت که یا همه را بر حسب سینوس یا همه را بر حسب کسینوس تبدیل نماییم و انتگرال را به‌صورت ∫sinnx  dx یا ∫cosnx  dx که n زوج است حل نماییم.  

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫sin2x.cos4x  dx

I=∫sin2x.cos4x  dx

⇒I=∫1−cos2x2⋅1+cos2x22  dx

⇒I=18∫1−cos2x1+cos2x2  dx

⇒I=18∫1−cos2x1+2cos2x+cos22x  dx

⇒I=18∫1+2cos2x+cos22x−cos2x−2cos22x−cos32x  dx

⇒I=18∫1+cos2x−cos22x−cos32x  dx

⇒I=18∫dx+18∫cos2x  dx−18∫cos22x  dx−18∫cos32x  dx

⇒I=18x+1812sin2x−18I1−18I2      ;       A

⇒I=18x+116sin2x−1812x+18sin4x−1812sin2x−16sin32x+c


 A   :

I1=∫cos22x  dx=∫1+cos4x2  dx=12∫1+cos4x  dx=12x+12.14sin4x=12x+18sin4x

I2=∫cos32x  dx=∫cos22x.cos2x  dx=∫1−sin22x.cos2x  dx

⇒I2=∫cos2x  dx−∫sin22x.cos2x  dx=12sin2x−12×3sin32x

دریافت مثال

حالت سوم

اگر m+n عدد زوج و منفی باشد، در این‌صورت از تغییر متغیرهای زیر استفاده می‌کنیم.

tanx=u

cotgx=u

sinx=tanx.cosx

cosx=cotgx.sinx

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫cos37x  sin−177x  dx

m=37n=−177 

m+n=37+−177=−147=−2

I=∫cos37x  sin−177x  dx    ;    sinx=tanx.cosx

⇒I=∫cos37x.tan−177x.cos−177x  dx

⇒I=∫tan−177x.cos−2x  dx⇒I=∫1cos2x.tan−177x  dx⇒I=∫1+tan2x.tan−177x  dx⇒I=−710tan−107x+c⇒I=−710tan10x7+c

دریافت مثال

محاسبه انتگرال ∫cosmx.cosnx  dx∫sinmx.cosnx  dx∫sinmx.sinnx  dx

برای محاسبه چنین انتگرال هایی، برای فرمول های مثلثاتی، حاصل ضرب را به مجموع یا تفاضل تبدیل کرده، سپس عمل انتگرال گیری را انجام می‌دهیم.

sinmx ⋅ sinnx=12cosm−nx−cosm+nx

sinmx ⋅ cosnx=12sinm+nx+sinm−nx

cosmx ⋅ cosnx=12cosm+nx+cosm−nx

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫sin5x.sin3x  dx

I=∫sin5x.sin3x  dx

⇒I=∫12cos5x−3x−cos5x+3x  dx

⇒I=12∫cos2x−cos8x  dx

⇒I=12∫cos2x  dx−12∫cos8x  dx

⇒I=12.12sin2x−12.18sin8x+c

⇒I=14sin2x−116sin8x+c

دریافت مثال

محاسبه انتگرال ∫ftanx  dx∫fcotx  dx∫fsecx  dx∫fcscx  dx

معمولا برای محاسبه انتگرال ∫ftanx  dx از تغییر متغیر u=tanx استفاده می‌شود.

معمولا برای محاسبه انتگرال ∫fcotx  dx از تغییر متغیر u=cotx استفاده می‌شود.

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫tanx  dx

I=∫tanx  dx⇒I=∫sinxcosx  dx⇒I=∫sinx.cos−1x  dx      ;       A⇒I=∫sinx⋅u−1⋅−1sinx  du


⇒I=−∫u−1  du⇒I=−∫1u  du⇒I=−Lnu+c⇒I=−Lncosx+c

 A   :   u=cosx⇒du=−sinx  dx⇒dx=−1sinx  du

دریافت مثال

محاسبه انتگرال ∫tannx  dx∫cotgnx  dx

در این فرمول ها n یک عدد صحیح و مثبت است.

حالت اول

این حالت در قالب مثال‌های زیر بررسی می‌شود.

تمرین

انتگرال زیر را محاسبه کنید.

I=∫tannx du

 cos2x=11+tan2x

⇒1+tan2x=1cos2x⇒1+tan2x=sec2x⇒tan2x=sec2x−1


I=∫tannx du

⇒I=∫tann−2x . tan2x  dx

⇒I=∫tann−2x.sec2x−1  dx

دریافت مثال

حالت دوم

برحسب آن‌که n فرد یا زوج باشد، توان های فرد یا زوج کم‌تر از n و تانژانت یا کتانژانت را اضافه و کم کنیم و پس از مرتب کردن با استفاده از قضیه انتگرال ها آنها را محاسبه کنیم.

دریافت مثال

محاسبه انتگرال ∫1sin2nx  dx∫1cos2nx  dx

این انتگرال ها با استفاده از فرمول های زیر به انتگرال هایی بر حسب تانژانت یا کتانژانت تبدیل می‌شوند. 

1+tan2x=1cos2x1+cotg2x=1sin2x

دریافت مثال

محاسبه انتگرال ∫1sin2nx.cos2mx  dx

انتگرال های فوق را با استفاده از روابط زیر: 

1+tan2x=1cos2x1+cotg2x=1sin2x

و در حالتی‌که m=n باشد با استفاده از رابطه زیر:

sinx.cosx=12sin2x

به انتگرال هایی بر حسب تانژانت یا کتانژانت تبدیل می‌شوند که قابل حل هستند. 

تمرین

انتگرال زیر را حل کنید:

 I=∫1sin2x.cos4x  dx

I=∫1sin2x.cos4x  dx⇒I=∫1sin2x.cos2x2 dx

⇒I=∫1+cotg2x1+tan2x2  dx

⇒I=∫1+cotg2x1+tan4x+2tan2x  dx

⇒I=∫1+tan4x+2tan2x+cotg2x+cotg2x.tan4x+2cotg2x.tan2x  dx

⇒I=∫1+tan4x+2tan2x+cotg2x+tan2x+2  dx

⇒I=∫tan4x+tan2x+2tan2x+1+1+cotg2x  dx

⇒I=∫tan2x1+tan2x+2tan2x+1+1+cotg2x  dx

⇒I=13tan3x+2tanx−cotgx+c

محاسبه انتگرال ∫secnu  du∫cscnu  du

حالت اول

اگر n یک عدد مثبت و زوج باشد، به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

I=∫secnu  du

=∫secn−2u⋅sec2u  du

=∫sec2un−22⋅sec2u  du

=∫tan2u+1n−22⋅sec2u  du

I=∫cscnu  du

=∫cscn−2u⋅csc2u  du

=∫csc2un−22⋅csc2u  du

=∫cotg2u+1n−22⋅csc2u  du

دریافت مثال

حالت دوم

اگر n یک عدد مثبت و فرد باشد، به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

در محاسبه ∫secnu  du و ∫cscnu  du  از روش جزء به جزء استفاده می‌شود.

دریافت مثال

محاسبه انتگرال ∫tanmu.secnu  du∫cotgmu.cscnu  du  

حالت اول

اگر n یک عدد صحیح زوج باشد، به روش حل مثال های زیر توجه کنید.

دریافت مثال

حالت دوم

اگر n یک عدد صحیح فرد باشد، به روش حل مثال های زیر توجه کنید.

دریافت مثال

حالت سوم

اگر n فرد و m زوج باشد، برای محاسبه آنها از انتگرال جزء به جزء استفاده می‌نماییم.

تذکر

به‌طور خلاصه داریم:

if   y=secu⇒y'=u'.secu.tanu

if   y=cscu⇒y'=−u'cscu.cotgu

1)  I=∫tanu  du=−Lncosu+c=Lnsecu+c

2)  I=∫cotgu  du=Lnsinx+c

3)  I=∫secu  du=Lnsecu+tanu+c

4)  I=∫cscu  du=−Lncscu+cotgu+c

5)  I=∫sec2u  du=tanu+c6)  I=∫csc2u  du=−cotgu+c7)  I=∫secu.tanu  du=secu+c

8)  I=∫cscu.cotgu  du=−cscu+c

9)  I=∫tannu  du=∫tann−2u tan2u du=∫tann−2usec2u−1  du

10)  I=∫cotgnu  du=∫cotgn−2u.cotg2u  du=∫cotgn−2u.csc2u−1  du

11)  I=∫secnu  du=∫secn−2u.sec2u  du=∫tan2u+1n−22.sec2u  du

12)  ∫cscnu  du=∫cscn−2u.csc2u  du=∫cotg2u+1n−22.csc2u  du

13)  I=∫1uu2−1  du=sec−1u+c

14)  I=∫1uu2−a2  du=1asec−1ua+c

خرید پاسخ‌ها

انتگرال نامعین (توابع مثلثاتی)

24,000تومان
خرید فایل PDF مثال ها و جواب ها

برای ارسال نظر وارد سایت شوید