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 查遍积分表都没有现成条目,u=sinx 换元也会卡死——但用一条恒等式把它改写成 ∫21−cos2xdx,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 全家;倍角/降幂公式;第 1 课的凑微分(sinxdx=−d(cosx))。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;两边除以 cos2x 得 1+tan2x=sec2x;除以 sin2x 得 1+cot2x=csc2x。微例:tan2x=sec2x−1——本课例题 6 的第一步原式。⚠️ 翻车点:sec 配 tan、csc 配 cot,交叉配对必翻车。
② 倍角三胞胎:sin2x=2sinxcosx;cos2x=cos2x−sin2x=1−2sin2x=2cos2x−1。微例:由 cos2x=1−2sin2x 反解出 sin2x=21−cos2x——本课主武器。⚠️ 翻车点:降幂后的符号——sin2 里是减 cos2x,cos2 里是加。
③ 凑微分(第 1 课):cosxdx=d(sinx),sinxdx=−d(cosx)。微例:例题 3 从 sin3x 拆出的那个 sinxdx 就这样进的 d。⚠️ 翻车点:d(cosx) 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 及其两个除法变体 | 奇数幂拆项、tan/sec 互换 |
| 倍角 | sin2x=2sinxcosx;cos2x 三胞胎 | 交叉项合并 |
| 降幂 | sin2x=21−cos2x;cos2x=21+cos2x | 偶数幂的唯一出路 |
| 积化和差 | sinAcosB=21[sin(A+B)+sin(A−B)] | 不同角频率相乘 |
| 积化和差 | cosAcosB=21[cos(A+B)+cos(A−B)] | 同上 |
| 积化和差 | sinAsinB=21[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)、cos(A±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 没有公式,∫sin8xdx 有。
偶数次幂:降幂是唯一出路
例题 1:求 ∫sin2xdx。
u=sinx?那 du=cosxdx,场上没有 cosx,卡死。正确姿势是降幂(🔧 工具箱 ②):
∫sin2xdx=∫21−cos2xdx=2x−4sin2x+C
(最后一步用了第 1 课速查表的 dx=21d(2x)。)同理 ∫cos2xdx=2x+4sin2x+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 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 2x,即 sin2 的平均值是 21。
例题 2(双偶数幂):求 ∫sin2xcos2xdx。
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=(2sin2x)2=4sin22x=81−cos4x
∫sin2xcos2xdx=8x−32sin4x+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 dx,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。
∫sin3xdx=∫sin2x⋅sinxdx=∫(1−cos2x)sinxdx
令 u=cosx,du=−sinxdx(🔧 工具箱 ③,负号别丢):
=−∫(1−u2)du=−u+3u3+C=−cosx+3cos3x+C
例题 4(奇偶混合):求 ∫sin3xcos2xdx。
从奇数方 sin3x 拆一个 sinx:
∫sin2xcos2xsinxdx=∫(1−cos2x)cos2xsinxdxu=cosx−∫(1−u2)u2du
=−∫(u2−u4)du=−3u3+5u5+C=5cos5x−3cos3x+C
决策表(∫sinmxcosnxdx):
| 情形 | 策略 |
|---|
| m 奇 | 拆一个 sinx 配 d(cosx),剩余 sin2=1−cos2,令 u=cosx |
| n 奇 | 拆一个 cosx 配 d(sinx),剩余 cos2=1−sin2,令 u=sinx |
| 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。
角频率不同(3x 和 5x),拆项换元全部失灵——这是积化和差的专属地盘:
sin3xcos5x=21[sin8x+sin(−2x)]=21sin8x−21sin2x
∫sin3xcos5xdx=−16cos8x+4cos2x+C
说明
这不是屠龙技。S6 里外力 cosωt 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。
积分表里没有 tan2,但平方关系可以把它换成有的(🔧 工具箱 ①):
∫tan2xdx=∫(sec2x−1)dx=tanx−x+C
(∫sec2xdx=tanx+C 就是求导公式 (tanx)′=sec2x 倒着读。)配上第 1 课收编的 ∫tanxdx=−ln∣cosx∣+C,tan 的一次、二次幂都有了着落。
✍️ 练习
1. ∫cos3xdx
✅ 参考答案
奇数幂:拆一个 cosx,令 u=sinx:
∫(1−sin2x)cosxdx=∫(1−u2)du=sinx−3sin3x+C
2. ∫sin23xdx
✅ 参考答案
降幂(角是 3x,倍角就是 6x):
∫21−cos6xdx=2x−12sin6x+C
3. ∫cos2xcos4xdx
✅ 参考答案
积化和差:cos2xcos4x=21[cos6x+cos2x](cos(−2x)=cos2x):
21[6sin6x+2sin2x]+C=12sin6x+4sin2x+C
4. ∫cot2xdx
✅ 参考答案
平方关系的另一半:cot2x=csc2x−1,而 (cotx)′=−csc2x:
∫(csc2x−1)dx=−cotx−x+C
5.(进阶)∫sin4xdx——先规划路线再动手。
✅ 参考答案
全偶,降幂两轮:
sin4x=(21−cos2x)2=41−2cos2x+cos22x=41(23−2cos2x+2cos4x)∫sin4xdx=83x−4sin2x+32sin4x+C要点:平方展开后中间的 cos22x 还要再降一轮(变成 21+cos4x)。
📝 随堂测验
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 决策:有奇拆奇(拆一个配 d,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=21−cos2x、cos2x=21+cos2x 是偶数幂的唯一出路;符号记不清就代 x=0 检验
- 角频率不同的乘积(sin3xcos5x)只认积化和差——乘积变成和,积分才有得做
- tan2=sec2−1、cot2=csc2−1:平方关系的除法变体负责 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 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。