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课程库 Calculus 2 S4 · Integral Calculus › 第 2

三角恒等变换 —— 被积函数的易容术

普通课40 分钟

本课导读

有些积分打不动,不是因为技巧不够,而是长相不对sin2xdx\int \sin^2 x\,dx 查遍积分表都没有现成条目,u=sinxu = \sin x 换元也会卡死——但用一条恒等式把它改写成 1cos2x2dx\int \frac{1 - \cos 2x}{2}\,dx,瞬间变成小学生难度。

三角恒等变换就是积分台前的易容术:不动积分技巧本身,先给被积函数整容,整成第 1 课的换元法或基本积分表认识的脸。本课把常用恒等式清点成军火库,然后按"幂次奇偶"和"角频率异同"两条线练熟套路。预计 40 分钟。

说明

前置工具箱(只列不教):平方关系 sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1 全家;倍角/降幂公式;第 1 课的凑微分(sinxdx=d(cosx)\sin x\,dx = -\,d(\cos x))。手生了点开 30 秒回顾。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 平方关系全家sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1;两边除以 cos2x\cos^2 x1+tan2x=sec2x1 + \tan^2 x = \sec^2 x;除以 sin2x\sin^2 x1+cot2x=csc2x1 + \cot^2 x = \csc^2 x。微例:tan2x=sec2x1\tan^2 x = \sec^2 x - 1——本课例题 6 的第一步原式。⚠️ 翻车点:sec\sectan\tancsc\csccot\cot,交叉配对必翻车。

② 倍角三胞胎sin2x=2sinxcosx\sin 2x = 2\sin x\cos xcos2x=cos2xsin2x=12sin2x=2cos2x1\cos 2x = \cos^2 x - \sin^2 x = 1 - 2\sin^2 x = 2\cos^2 x - 1。微例:由 cos2x=12sin2x\cos 2x = 1 - 2\sin^2 x 反解出 sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \frac{1-\cos 2x}{2}——本课主武器。⚠️ 翻车点:降幂后的符号——sin2\sin^2 里是 cos2x\cos 2xcos2\cos^2 里是

③ 凑微分(第 1 课):cosxdx=d(sinx)\cos x\,dx = d(\sin x)sinxdx=d(cosx)\sin x\,dx = -\,d(\cos x)。微例:例题 3 从 sin3x\sin^3 x 拆出的那个 sinxdx\sin x\,dx 就这样进的 dd。⚠️ 翻车点:d(cosx)d(\cos x) 前的负号丢失。

军火库:本课要用的恒等式

类别恒等式用途
平方关系sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1 及其两个除法变体奇数幂拆项、tan/sec\tan/\sec 互换
倍角sin2x=2sinxcosx\sin 2x = 2\sin x\cos xcos2x\cos 2x 三胞胎交叉项合并
降幂sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \dfrac{1-\cos 2x}{2}cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \dfrac{1+\cos 2x}{2}偶数幂的唯一出路
积化和差sinAcosB=12[sin(A+B)+sin(AB)]\sin A\cos B = \tfrac{1}{2}[\sin(A{+}B) + \sin(A{-}B)]不同角频率相乘
积化和差cosAcosB=12[cos(A+B)+cos(AB)]\cos A\cos B = \tfrac{1}{2}[\cos(A{+}B) + \cos(A{-}B)]同上
积化和差sinAsinB=12[cos(AB)cos(A+B)]\sin A\sin B = \tfrac{1}{2}[\cos(A{-}B) - \cos(A{+}B)]同上

积化和差三条不用死背:都是和角公式 sin(A±B)\sin(A\pm B)cos(A±B)\cos(A\pm B) 相加减的直接结果,考场忘了现推 30 秒。记忆锚点:乘积变成和,积分才有得做——sin3xcos5xdx\int\sin 3x\cos 5x\,dx 没有公式,sin8xdx\int\sin 8x\,dx 有。

偶数次幂:降幂是唯一出路

例题 1:求 sin2xdx\displaystyle\int \sin^2 x\,dx

u=sinxu = \sin x?那 du=cosxdxdu = \cos x\,dx,场上没有 cosx\cos x,卡死。正确姿势是降幂(🔧 工具箱 ②):

sin2xdx=1cos2x2dx=x2sin2x4+C\int \sin^2 x\,dx = \int \frac{1 - \cos 2x}{2}\,dx = \frac{x}{2} - \frac{\sin 2x}{4} + C

(最后一步用了第 1 课速查表的 dx=12d(2x)dx = \tfrac{1}{2}d(2x)。)同理 cos2xdx=x2+sin2x4+C\displaystyle\int \cos^2 x\,dx = \frac{x}{2} + \frac{\sin 2x}{4} + C

提示

这两个积分在物理里出镜率极高:交流电的平均功率、S6 弹簧振动的平均能量,本质都在算 sin2\sin^2 在一个周期上的积分——降幂公式告诉你答案是"一半":振荡项积掉后只剩 x2\frac{x}{2},即 sin2\sin^2 的平均值是 12\frac{1}{2}

例题 2(双偶数幂):求 sin2xcos2xdx\displaystyle\int \sin^2 x\cos^2 x\,dx

先用倍角合并再降幂,比对两个平方分别降幂省一半力气:

sin2xcos2x=(sinxcosx)2=(sin2x2)2=sin22x4=1cos4x8\sin^2 x\cos^2 x = (\sin x\cos x)^2 = \left(\frac{\sin 2x}{2}\right)^2 = \frac{\sin^2 2x}{4} = \frac{1 - \cos 4x}{8} sin2xcos2xdx=x8sin4x32+C\int \sin^2 x\cos^2 x\,dx = \frac{x}{8} - \frac{\sin 4x}{32} + C

奇数次幂:拆一个去凑微分

幂次里只要有一个是奇数,就从奇数那边拆一个出来陪 dxdx,剩下的偶数次幂用平方关系换成对方阵营,然后换元一波带走。

例题 3:求 sin3xdx\displaystyle\int \sin^3 x\,dx

sin3xdx=sin2xsinxdx=(1cos2x)sinxdx\int \sin^3 x\,dx = \int \sin^2 x\cdot \sin x\,dx = \int (1 - \cos^2 x)\,\sin x\,dx

u=cosxu = \cos xdu=sinxdxdu = -\sin x\,dx(🔧 工具箱 ③,负号别丢):

=(1u2)du=u+u33+C=cosx+cos3x3+C= -\int (1 - u^2)\,du = -u + \frac{u^3}{3} + C = -\cos x + \frac{\cos^3 x}{3} + C

例题 4(奇偶混合):求 sin3xcos2xdx\displaystyle\int \sin^3 x\cos^2 x\,dx

从奇数方 sin3x\sin^3 x 拆一个 sinx\sin x

sin2xcos2xsinxdx=(1cos2x)cos2xsinxdx  =u=cosx  (1u2)u2du\int \sin^2 x\cos^2 x\,\sin x\,dx = \int (1-\cos^2 x)\cos^2 x\,\sin x\,dx \;\xlongequal{u=\cos x}\; -\int (1-u^2)u^2\,du =(u2u4)du=u33+u55+C=cos5x5cos3x3+C= -\int (u^2 - u^4)\,du = -\frac{u^3}{3} + \frac{u^5}{5} + C = \frac{\cos^5 x}{5} - \frac{\cos^3 x}{3} + C

决策表sinmxcosnxdx\displaystyle\int \sin^m x\cos^n x\,dx):

情形策略
mm拆一个 sinx\sin xd(cosx)d(\cos x),剩余 sin2=1cos2\sin^2 = 1-\cos^2,令 u=cosxu = \cos x
nn拆一个 cosx\cos xd(sinx)d(\sin x),剩余 cos2=1sin2\cos^2 = 1-\sin^2,令 u=sinxu = \sin x
都偶没有捷径:降幂公式 + 倍角,必要时降两轮

不同角频率相乘:积化和差

例题 5:求 sin3xcos5xdx\displaystyle\int \sin 3x\cos 5x\,dx

角频率不同(3x3x5x5x),拆项换元全部失灵——这是积化和差的专属地盘:

sin3xcos5x=12[sin8x+sin(2x)]=12sin8x12sin2x\sin 3x\cos 5x = \frac{1}{2}\left[\sin 8x + \sin(-2x)\right] = \frac{1}{2}\sin 8x - \frac{1}{2}\sin 2x sin3xcos5xdx=cos8x16+cos2x4+C\int \sin 3x\cos 5x\,dx = -\frac{\cos 8x}{16} + \frac{\cos 2x}{4} + C

说明

这不是屠龙技。S6 里外力 cosωt\cos\omega t 敲弹簧,算能量输入就会碰到不同频率的交叉项;傅里叶级数(把任意周期信号拆成一堆正弦波)更是整个建立在"不同频率乘积的积分为零"上——用的正是这三条公式。

tan 与 sec 的地盘

例题 6:求 tan2xdx\displaystyle\int \tan^2 x\,dx

积分表里没有 tan2\tan^2,但平方关系可以把它换成有的(🔧 工具箱 ①):

tan2xdx=(sec2x1)dx=tanxx+C\int \tan^2 x\,dx = \int (\sec^2 x - 1)\,dx = \tan x - x + C

sec2xdx=tanx+C\int\sec^2 x\,dx = \tan x + C 就是求导公式 (tanx)=sec2x(\tan x)' = \sec^2 x 倒着读。)配上第 1 课收编的 tanxdx=lncosx+C\int\tan x\,dx = -\ln|\cos x| + Ctan\tan 的一次、二次幂都有了着落。

✍️ 练习

1. cos3xdx\displaystyle\int \cos^3 x\,dx

✅ 参考答案

奇数幂:拆一个 cosx\cos x,令 u=sinxu = \sin x

(1sin2x)cosxdx=(1u2)du=sinxsin3x3+C\int (1-\sin^2 x)\cos x\,dx = \int (1-u^2)\,du = \sin x - \frac{\sin^3 x}{3} + C

2. sin23xdx\displaystyle\int \sin^2 3x\,dx

✅ 参考答案

降幂(角是 3x3x,倍角就是 6x6x):

1cos6x2dx=x2sin6x12+C\int \frac{1-\cos 6x}{2}\,dx = \frac{x}{2} - \frac{\sin 6x}{12} + C

3. cos2xcos4xdx\displaystyle\int \cos 2x\cos 4x\,dx

✅ 参考答案

积化和差:cos2xcos4x=12[cos6x+cos2x]\cos 2x\cos 4x = \tfrac{1}{2}[\cos 6x + \cos 2x]cos(2x)=cos2x\cos(-2x) = \cos 2x):

12[sin6x6+sin2x2]+C=sin6x12+sin2x4+C\frac{1}{2}\left[\frac{\sin 6x}{6} + \frac{\sin 2x}{2}\right] + C = \frac{\sin 6x}{12} + \frac{\sin 2x}{4} + C

4. cot2xdx\displaystyle\int \cot^2 x\,dx

✅ 参考答案

平方关系的另一半:cot2x=csc2x1\cot^2 x = \csc^2 x - 1,而 (cotx)=csc2x(\cot x)' = -\csc^2 x

(csc2x1)dx=cotxx+C\int (\csc^2 x - 1)\,dx = -\cot x - x + C

5.(进阶)sin4xdx\displaystyle\int \sin^4 x\,dx——先规划路线再动手。

✅ 参考答案

全偶,降幂两轮:

sin4x=(1cos2x2)2=12cos2x+cos22x4=14(322cos2x+cos4x2)\sin^4 x = \left(\frac{1-\cos 2x}{2}\right)^2 = \frac{1 - 2\cos 2x + \cos^2 2x}{4} = \frac{1}{4}\left(\frac{3}{2} - 2\cos 2x + \frac{\cos 4x}{2}\right)sin4xdx=3x8sin2x4+sin4x32+C\int \sin^4 x\,dx = \frac{3x}{8} - \frac{\sin 2x}{4} + \frac{\sin 4x}{32} + C

要点:平方展开后中间的 cos22x\cos^2 2x 还要再降一轮(变成 1+cos4x2\frac{1+\cos 4x}{2})。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. 计算 $\int \cos^2 x\,dx$,第一步最应该做的是?

2. $\int \sin^5 x\cos^2 x\,dx$ 的正确路线是?

3. $\sin^2 x$ 的降幂公式是?

4. $\int \sin 2x\sin 6x\,dx$ 该用哪条恒等式打开局面?

5. $1 + \tan^2 x = $ ?

本课小结

  • 三角积分的心法:先整容,后动刀——用恒等式把被积函数改写成积分表认识的脸
  • sinmxcosnx\sin^m x\cos^n x 决策:有奇拆奇(拆一个配 dd,剩余用平方关系换阵营)、全偶降幂(可能要降两轮)
  • 降幂公式 sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \frac{1-\cos 2x}{2}cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1+\cos 2x}{2} 是偶数幂的唯一出路;符号记不清就代 x=0x=0 检验
  • 角频率不同的乘积(sin3xcos5x\sin 3x\cos 5x)只认积化和差——乘积变成和,积分才有得做
  • tan2=sec21\tan^2 = \sec^2 - 1cot2=csc21\cot^2 = \csc^2 - 1:平方关系的除法变体负责 tan/sec\tan/\sec 阵营

下一课回到主线兵器库:换元法对付"复合结构",但 xexdx\int x e^x dx 这种两个不相干函数的乘积它无从下口——该请出乘积法则的倒放:分部积分

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讨论

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