A-level數學涉及到的所有三角函數相關的積分技巧

2021-02-19 環宇九天國際教育

微積分是A-level數學中的重要部分,微分涉及到的技巧相對比較簡單,主要包括基本求導公式、和差積商的求導法則及chain rule等微分技巧;而積分除了基本的積分公式外,涉及到的積分技巧比較多,包括reverse chain rule, by substitution, trigonometric identities, partial fraction, integration by parts等,另外三角函數積分又是積分問題中的重要部分,不但涉及到三角恆等關係式(Trigonometric identities),還會涉及到前面提到的積分技巧,這樣讓一些孩子感到十分棘手。下面我們就來總結一下三角函數相關的積分技巧。

首先,我們說「一次」的三角函數,包括sin x, cos x, tan x, cot x, sec x,cosec x. 大家首先要知道這六個三角函數可以直接求積分的,即如下積分公式:

而且大家要知道tan x 和cot x 求積分時涉及到如下積分技巧:

例如:

同樣cot x的積分大家可以用同樣的方法自己推導一下。

下面我們說「二次」的三角函數,主要包括sin2 x, cos2 x, sinxcosx, tan2x,cot2x, sec2 x,cosec2 x,secxtanx,cosecxcotx。

前三個積分主要涉及到二倍角公式和reverse chain rule,如:

同樣的方法可以得到:

而sinxcosx的積分用到sin2x的展開式,即:

接下來我們知道sec2 x,cosec2 x,secxtanx,cosecxcotx的積分是可以直接用積分公式的,即:

而tan2 x與sec2 x,cot2x與cosec2 x有重要的恆等關係式:tan2 x=sec2x-1;cot2x=cosec2 x-1,所以tan2 x與cot2 x的積分可以直接轉化為sec2 x與cosec2 x進而求解。

下面要說的三角函數積分也是「二次」的,但上面的技巧並不能解決這類問題,而要用到積化和差的技巧。例如求sin3xcos2x的積分,我們知道sin(3x+2x)=sin3xcos2x+cos3xsin2x,sin(3x-2x)=sin3xcos2x-cos3xsin2x,兩式相加右邊即可得到2sin3xcos2x, 而左邊等於sin5x+sinx, 這樣sin3xcos2x的積分就轉化為求1/2(sin5x+sinx)的積分,即「積化和差」,本質上是利用正弦或餘弦的和差角展開公式。同樣的方法大家可以試求下sin5xsin2x, cos3xcosx的積分。

 

最後要說的三角函數積分問題主要涉及到下面的兩類積分技巧:

第一種類型我們剛才在求tan x和co tx積分時已經講過,第二種類型如:

求cosxsin3x的積分,我們知道sin x求導是cos x, 所以原積分等於1/4sin4x,如果不太理解可以反過來求導試試。下面的例題可供大家進一步練習:

總結了這麼多,是否覺得思路上清晰了很多呢?相信大家以後再遇到三角函數積分問題就可以胸有成竹的面對了,不必害怕,重在總結和練習。

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