如何用半角代换(万能代换)求积分?

半角代换,指的是用代换 \(u=\tan \frac{x}{2}\) 将三角函数化简的一种积分方法。 因为这个代换能将任意的三角有理函数化成有理函数,因而也称之为万能代换。

半角代换,指的是用代换 u=\tan \frac{x}{2} 将三角函数化简的一种积分方法。 因为这个代换能将任意的三角有理函数化成有理函数,因而也称之为万能代换。我们知道,任何的有理函数都是可以求得出它的不定积分,因而所有的三角有理函数也是可以求它的不定积分。

因为所有的三角函数都可以表示成 \sin x, \cos x 的表达式,所以我们只需要知道这两个函数在半角代换下的表达式即可。我们利用三角形来导出这些表达式。因为 u=\tan\frac{x}{2},由 \tan x 的定义,我们知道三角形的关系如图

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从图形上可以看出

    \[\cos\frac{x}{2}=\frac{1}{\sqrt{1+u^2}},\quad \sin\frac{x}{2}=\frac{u}{\sqrt{1+u^2}}\]

从三角恒等式

    \[\sin2x=2\sin x\cos x,\quad \cos 2x=\cos^2x-\sin^2x \]

可以得到

    \[\sin x=\sin(2\cdot\frac{x}{2})=2\sin\frac{x}{2}\cos\frac{x}{2}= \frac{u}{\sqrt{1+u^2}} \cdot  \frac{1}{\sqrt{1+u^2}}  =\frac{u}{1+u^2} \]

    \[\cos x=\cos (2\cdot\frac{x}{2})=\cos^2\frac{x}{2}-\sin^2\frac{x}{2}=\frac{1}{1+u^2}-\frac{u^2}{1+u^2}=\frac{1-u^2}{1+u^2}\]

最后,我们需要导出 dx 的表达式。 因为 x=2\arctan u, 所以

    \[dx=\frac{2}{1+u^2}du\]

总结起来,我们有

    \[\sin x=\frac{u}{1+u^2},\quad \cos x=\frac{1-u^2}{1+u^2},\quad dx=\frac{2}{1+u^2}du\]

有了这些公式之后,我们就可以用半角代换来求三角有理函数的积分了。我们来看两个例子。

例1:求积分

    \[\int\frac{dx}{3\sin x-4\cos x}\]

解:应用半角代换 u=\tan\frac{x}{2},我们有\sin x=\frac{u}{1+u^2},\quad \cos x=\frac{1-u^2}{1+u^2},\quad dx=\frac{2}{1+u^2}du,代入到积分里,得到

    \begin{align*} \int\frac{dx}{3\sin x-4\cos x} &= \int\frac{1}{3 \frac{u}{1+u^2} -4 \frac{1-u^2}{1+u^2} }\cdot \frac{2}{1+u^2}du \\ &=2\int\frac{1}{6u-4+4u^2}du=\int\frac{1}{ 2u^2+3y-2 }du\\ &=\int\frac{1}{(2u-1)(u+2)}du\end{align*}

利用有理函数的分式分解(参考有理函数的积分),我们有

    \[ \frac{1}{(2u-1)(u+2)} =\frac{2}{5}\cdot\frac{1}{2u-1}-\frac{1}{5}\cdot\frac{1}{ u+2 }\]

所以原积分变为

    \begin{align*} \int\frac{dx}{3\sin x-4\cos x} &= \frac{2}{5}\int\frac{1}{2u-1}du-\frac{1}{5}\int\frac{1}{ u+2 }du \\ &=  \frac{1}{5} \ln|2u-1|-\frac{1}{5}\ln|u+1|+C \\&= \frac{1}{5}\ln\left|\frac{2u-1}{u+1}\right|+C \\ &=\frac{1}{5} \ln\left|\frac{2\tan\frac{x}{2}-1}{\tan\frac{x}{2}+1}\right|+C \end{align*}

例2:求积分

    \[\int\frac{dx}{\sin x+\tan x}\]

解:作变换 u=\tan\frac{x}{2},我们有 \sin x=\frac{u}{1+u^2},\quad \cos x=\frac{1-u^2}{1+u^2},\quad dx=\frac{2}{1+u^2}du,那么\tan x=\frac{\sin x}{\cos x}=\frac{u}{1-u^2},所以原积分为

    \begin{align*} \int\frac{dx}{\sin x+\tan x}  &= \int\frac{1}{\frac{u}{1+u^2}+\frac{u}{1-u^2}}\cdot\frac{2}{1+u^2}du\\ &=\int\frac{1-u^2}{2u}du=\frac{1}{2}\ln|u|-\frac{1}{4}u^2+C\\ &=\frac{1}{2}\ln\left|\tan\frac{x}{2}\right|-\frac{1}{4}\tan^2\frac{x}{2}+C\end{align*}

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