Science One Math Jan 28 2019
Last time: โซ tan % ๐ฆ sec + ๐ฆ ๐๐ฆ For any m , and n even โซ tan % ๐ฆ sec + ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ tan % ๐ฆ sec +-. ๐ฆ sec . ๐ฆ ๐๐ฆ convert powers of secant into powers of tangent using tan . (๐ฆ) + 1 = sec . (๐ฆ) then sub ๐ฃ = tan (๐ฆ) For any n , and m odd โซ tan % ๐ฆ sec + ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ tan %-3 ๐ฆ sec +-3 ๐ฆ sec ๐ฆ tan ๐ฆ ๐๐ฆ = c onvert powers of tangent into powers of secant by using tan . (๐ฆ) = sec . (๐ฆ) โ 1 What if n odd and m even? Use integration by parts!
If m is even, n is odd โซ tan % ๐ฆ sec + ๐ฆ ๐๐ฆ use IBP and reduction formula Example : โซ tan . ๐ฆ sec @ ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ(sec . ๐ฆ โ 1)sec @ ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ sec B ๐ฆ โsec @ ๐ฆ ๐๐ฆ โซ sec @ ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ sec ๐ฆ sec . ๐ฆ ๐๐ฆ u = sec ๐ฆ dv = sec . ๐ฆ ๐๐ฆ du = tan ๐ฆ sec ๐ฆ ๐๐ฆ v = tan ๐ฆ = sec ๐ฆ tan ๐ฆ โ โซ tan ๐ฆ tan ๐ฆ sec ๐ฆ ๐๐ฆ = = sec ๐ฆ tan ๐ฆ โ โซ tan . ๐ฆ sec(๐ฆ) ๐๐ฆ [tan . (๐ฆ) = sec . (๐ฆ) โ 1] = sec ๐ฆ tan ๐ฆ โ โซ sec @ ๐ฆ ๐๐ฆ + โซ sec(๐ฆ) ๐๐ฆ So โซ sec @ ๐ฆ ๐๐ฆ = D E sec ๐ฆ tan ๐ฆ + D E โซ sec(๐ฆ) ๐๐ฆ it reduces to computing โซ sec ๐ฆ ๐๐ฆ โฆwe need some trickery hereโฆ ๐ฃ = sec ๐ฆ + tan ๐ฆ , ๐๐ฃ = (sec ๐ฆ tan ๐ฆ + sec . ๐ฆ)๐๐ฆ OPQ E JK GHI J LMN J โซ sec ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ sec ๐ฆ GHI JKLMNJ RS GHI JKLMNJ ๐๐ฆ = โซ ๐๐ฆ = โซ S = ln ๐ฃ + ๐ท = โฏ GHI JKLMNJ
Last time: Trigonometric integrals Integrals of sin + ๐ฆ cos % ๐ฆ or tan + ๐ฆ sec % ๐ฆ are computable! Strategies: โข ๐ฃ -substitution โข trig identities โข (sometimes) IBP
Last time: Trigonometric integrals Not all integrals with trigonometric functions are computable, e.g. GXN (J) โซ sin(๐ฆ . ) ๐๐ฆ , โซ cos(๐ฆ . )๐๐ฆ , โซ ๐๐ฆ J We can only approximate these integrals numerically.
When do we see trigonometric integrals? Many computations lead to trigonometric integrals: โข Analysis of oscillating systems (waves, alternating current circuits, etc.) โข Fourier analysis (widely used technique where a periodic function is decomposed in terms of infinite sums of powers of sines and cosines) โข Integrals with roots
Can we compute area of this shape? The shaded area is called a โ luneโ The Ducal Palace โ Mantua, Italy It reduces to โซ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ need a new strategy! Trigonometric substitutions Russ Adams in Pike County, IL
Science One Math Jan 30 2019
[ 3 J D/E KJ Z/E ๐๐ฆ can be written as โซ 3 A) โซ ๐ฆ -3/. + ๐ฆ -@/. ๐๐ฆ [ 3 [ 3 3 B) โซ J D/E + J Z/E ๐๐ฆ 3 C) Either oneโthey are equivalent ๐ D) A and B are equivalent but they are not a correct simplification of ๐ ๐/๐ K๐ ๐/๐
Todayโs goal: Trigonometric substitutions โฆhow to compute integrals with roots.
How to we compute integrals with roots? 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ โซ โซ ๐ฆ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ start with this one โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ โซ ๐ฆ @ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ
@ ๐ฃ @/. + C = โ @ (1 โ ๐ฆ . ) @/. + C โซ ๐ฆ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = โซ โ D 3 3 E ๐ฃ ๐๐ฃ = โ ๐ฃ = 1 โ ๐ฆ . , ๐๐ฃ = โ2๐ฆ๐๐ฆ Does substitution work for the other integrals? 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ โซ โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ โซ ๐ฆ @ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ
@ ๐ฃ @/. + C = โ @ (1 โ ๐ฆ . ) @/. + C โซ ๐ฆ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = โซ โ D 3 3 E ๐ฃ ๐๐ฃ = โ ๐ฃ = 1 โ ๐ฆ . , ๐๐ฃ = โ2๐ฆ๐๐ฆ Does substitution work for the other integrals? 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ no! โซ โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ no! โซ ๐ฆ @ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ yes! โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐ฆ ๐๐ฆ = โซ โ D E (1 โ ๐ฃ) ๐ฃ ๐๐ฃ =โฆ. When u-sub doesnโt work, we need a different type of substitution โฆ
An observation: โซ ๐ฆ @ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐ฆ ๐๐ฆ 1 โ ๐ฆ . = ๐ฃ . , ๐ฆ . = 1 โ ๐ฃ . โ 2 ๐ฆ ๐๐ฆ = 2 ๐ฃ ๐๐ฃ . (1 โ ๐ฃ . ) ๐ฃ . ๐๐ฃ = โฆ 3 3 . (1 โ ๐ฃ . ) ๐ฃ . ๐ฃ ๐๐ฃ = โซ โ = โซ โ So maybe to compute the other integrals we could use a substitution of the form 1 โ ๐ฆ . = (โฆ) 2
An observation: โซ ๐ฆ @ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐ฆ ๐๐ฆ 1 โ ๐ฆ . = ๐ฃ . , ๐ฆ . = 1 โ ๐ฃ . โ 2 ๐ฆ ๐๐ฆ = 2 ๐ฃ ๐๐ฃ . (1 โ ๐ฃ . ) ๐ฃ . ๐๐ฃ = โฆ 3 3 . (1 โ ๐ฃ . ) ๐ฃ . ๐ฃ ๐๐ฃ = โซ โ = โซ โ So maybe to compute the other integrals we need to use a substitution of the form 1 โ ๐ฆ . = (โฆ) 2 1 โ sin . ๐ = cos . ๐
Trigonometric substitutions ๐ฆ = sin ๐ , d๐ฆ = cos ๐ ๐๐ then 1 โ ๐ฆ . = 1 โ sin . ๐ฆ = cos . ๐ฆ 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = โซ 1 โ ๐ก๐๐ . (๐) cos๐ ๐๐ = โซ ๐๐๐ก . (๐) cos ๐ ๐๐ = โซ ๐๐๐ก . ๐ ๐๐ = โซ k k Note ๐๐๐ก . (๐) = | cos ๐ | . We take | cos ๐ | = cos ๐ , i.e. โ . โค ๐ โค . . โฆand now we compute the trigonometric integral....
โBestโ strategy to compute โซ ๐๐๐ก . ๐ ๐๐ isโฆ a) By parts b) By using trig identity cos . ๐ฆ = 1 โ sin . ๐ฆ c) By using double-angle identity and then substitution d) By substitution right away e) By parts and then reduction
โBestโ strategy to compute โซ cos . ๐ ๐๐ isโฆ a) By parts b) By using trig identity cos . ๐ฆ = 1 โ sin . ๐ฆ c) By using double-angle identify and then substitution d) By substitution right away e) By parts, and then reduction
1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = โซ cos . ๐ ๐๐ = โซ 3 . [1 + cos 2๐ ] ๐๐ = โซ 3 3 = . [ฮธ + . sin 2๐ ] + C โฆconvert back to the original variable ๐ฆ ... Note ๐ฆ = sin ๐, hence ๐ = arcsin (๐ฆ) 1 โ sin . (๐) = 1 โ ๐ฆ . cos ๐ = Therefore, recalling sin 2๐ = 2sin ๐ cos ๐, 3 3 3 3 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ = . ๐ฆ 1 โ ๐ฆ . + C. . ฮธ + [ 2sin ๐ cos ๐ + C = . arcsin (๐ฆ) + โซ
โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ 9 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ โซ
โซ ๐ฆ . 1 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ ๐ฆ = sin ๐ , d๐ฆ = cos ๐ ๐๐ = โซ sin . (๐) 1 โ sin . (๐) cos ๐ ๐๐ = โซ sin . (๐) cos . (๐) cos๐ ๐๐ = = โซ sin . (๐)cos . ๐ ๐๐ = โซ(1 โ cos . ๐ )cos . ๐ ๐๐ = = โซ cos ๐ ๐ ๐๐ โ โซ cos ๐ ๐ ๐๐ = [from last week] 3 3 3 = . ฮธ + [ sin 2๐ โ @. 12๐ + 8 sin 2๐ + sin 4๐ + ๐ท = 3 3 = w ๐ โ @. sin 4๐ + ๐ท = 3 3 = w ๐ โ @. 2sin 2๐ cos(2๐) + ๐ท = 3 3 3x 2sin ๐ cos( ๐) ( 1 โ 2sin . (๐)) + ๐ท = = w ๐ โ 3 3 1 โ ๐ฆ . ( 1 โ 2๐ฆ . ) + ๐ท = w arcsin (๐ฆ) โ w ๐ฆ
9 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ ? What substitution would work for โซ a) ๐ฆ = sin(9๐) b) ๐ฆ = 9sin๐ c) 3๐ฆ = sin ๐ d) ๐ฆ = 3sin๐ e) None of the above
9 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ ? What substitution would work for โซ a) ๐ฆ = sin(9๐) b) ๐ฆ = 9sin๐ c) 3๐ฆ = sin ๐ d) d) ๐ = ๐๐๐๐ ๐พ e) None of the above
Using the substitution ๐ฆ = 3sin ๐ , the integral 9 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ is equivalent toโฆ โซ a) โซ 9 โ 9๐ก๐๐ . (๐ฆ) ๐๐ฆ b) โซ 3 1 โ ๐ก๐๐ . (๐) ๐๐ c) โซ 3๐๐๐ก . (๐) ๐๐ d) โซ 9๐๐๐ก . (๐) ๐๐ e) โซ 9๐๐๐ก @ (๐) ๐๐
Using the substitution ๐ฆ = 3sin ๐ , the integral 9 โ ๐ฆ . ๐๐ฆ is equivalent toโฆ โซ a) โซ 9 โ 9๐ก๐๐ . (๐ฆ) ๐๐ฆ b) โซ 3 1 โ ๐ก๐๐ . (๐) ๐๐ c) โซ 3๐๐๐ก . (๐) ๐๐ d) โซ ๐๐ ๐๐ ๐ (๐พ) ๐๐พ d) e) โซ 9๐๐๐ก @ (๐) ๐๐
9 + ๐ฆ . ๐๐ฆ ? What substitution would simplify โซ a) ๐ฆ = 3sin๐ b) ๐ฆ = 3cos๐ c) ๐ฆ = 3tan ๐ d) ๐ฆ = 3sec๐ e) None of the above
9 + ๐ฆ . ๐๐ฆ ? What substitution would simplify โซ a) ๐ฆ = 3sin๐ b) ๐ฆ = 3cos๐ c) c) ๐ = ๐๐ฎ๐๐จ ๐พ d) ๐ฆ = 3sec๐ e) None of the above
General case: 3 basic substitutions ๐ . โ ๐ฆ . = ๐ 1 โ sin . ๐ with ๐ฆ = ๐ sin ๐ , where โ k k . โค ๐ โค โข . ๐ . + ๐ฆ . = ๐ 1 + tan . ๐ with ๐ฆ = ๐ tan ๐ , where โ k k . < ๐ < โข . ๐ฆ . โ ๐ . = ๐ s๐๐ . ๐ โ 1 with ๐ฆ = ๐ s๐๐ ๐ , where k 0 โค ๐ < โข .
RJ (3x-J E ) Z/E โซ Rโฐ โซ 3K(ล N โฐ) E โฐ
RJ RJ (3x-J E ) Z/E = โซ โซ ] Z/E E 3x Z/E [3- โน ล ๐ฆ = 4sin ๐ , ๐๐ฆ = 4 cos ๐ ๐๐ 3 [ IโขG ลฝRลฝ 3 [ IโขG ลฝRลฝ 3 Rลฝ 3 = = QโขO Z ลฝ = QโขO E ลฝ = 3x tan ๐ + C x[ โซ x[ โซ 3x โซ Z [3- GXN ลฝ E ] E
RJ RJ (3x-J E ) Z/E = โซ โซ 3x Z/E (3-(J/[) E ) Z/E ๐ฆ = 4sin ๐ , ๐๐ฆ = 4 cos ๐ ๐๐ 3 [ IโขG ลฝRลฝ 3 [ IโขG ลฝRลฝ 3 Rลฝ 3 = = QโขO Z ลฝ = QโขO E ลฝ = 3x tan ๐ + C x[ โซ x[ โซ 3x โซ Z (3- GXN ลฝ E ) E Trig. Substitutions are a manifestation of Pythagoraโs thrm. x 4 ๐ฆ = 4sin ๐ J ฮธ tan ๐ = 3x-J E 16 โ ๐ฆ . Thus RJ 3 J (3x-J E ) Z/E = 3x tan ๐ + C = 3x 3x-J E + C โซ
Recommend
More recommend