asin x acos x atan x 的积分处理思路
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积分∫arcsinx arccosx arctanx dx的处理思路
计算这个积分还是挺烧脑的...第一次算这么复杂的积分
过程有些多有些杂,也许不能保证完全正确,但是结构和处理方法应该是没有问题...
如果有误请指出
1. 代换处理,干掉几个反三角
知道 x∈(−1,1) ,不妨用代换 x=cost , 可以直接得到 arccoscost=t , arcsincost=2π−t
你说为什么不用别的三角函数代换,比如 tan ?嗯...你想, arcsincosx 这种起码消得掉,一消消俩,如果用了正切就会留下 arcsintanx 和 arccostanx 这俩没法化简的,不顺手
∫arcsinxarccosxarctanxdx=∫arcsin(cost)arccos(cost)arctan(cost)d(cost)=∫t(t−2π)sint⋅arctan(cost)dt
这个东西可以分解为俩积分的权和
ItIt2I=∫tsint⋅arctan(cost)dt=∫t2sint⋅arctan(cost)dt=It2−2πIt
从低次开始研究
2. It 的计算
先计算次数比较低的 It . 注意到 arctancost 无法化成初等函数, 而代换法刚才已经用过, 那就对它分部积分, 试图通过求导转化 arctan .
∫tsintdt=sint−tcost
分部后三角函数是二次的,所以可以化成二倍角
∫tsint⋅arctan(cost)dt=(sint−tcost)arctan(cost)−∫(sint−tcost)(−cos2t+1sint)dt=(sint−tcost)arctan(cost)−∫(2cos(2t)+62tsin(2t)−8+1)dt=(sint−tcost)arctan(cost)−t−41∫cos(2t)+32tsin(2t)−8d(2t)
令 T=2t , T∈(0,2π) , 注意到常数能分离成以 cosT 为分母的积分, 通过万能代换即可求出, 这里省略了过程
∫cosT+3TsinT−8dT=∫cosT+3TsinTdT−∫cosT+38dT=∫cosT+3TsinTdT−42arctan(2tan2T)
左侧积分看起来与一个有趣的特殊积分 ∫02π1+cos2xxsinx 是近亲,所以我搜索了一下资料,找到了一些资料
xsinx/(1+cos²x)的不定积分怎么求?
求完积分之后我才发现里面有一些现成结论,当时应该看得仔细一点(雾)
左侧积分有一个明显的因子 T , 所以我们尝试分部积分一下, 看看是否有好的结构出现
∫cosT+3TsinTdT=∫T⋅cosT+3sinTdT=T∫cosT+3sinTdT−∫1(∫cosT+3sinTdT)dT=−Tlog(cosT+3)+∫log(cosT+3)dT
熟悉的味道? 右侧积分看着就是特殊积分 ∫logcosxdx 的变体, 似乎叫 L 函数 (From 《积分的方法与技巧》)
由于两个不同类型的函数复合不方便处理, 回退到上一步. 现在, 分部积分和代换法都用过了, 如何处理这个三角和非三角混合的积分?
想了许久,想起来机器积分结果里出现了一堆复数,想是把 sin 和 cos 用复数展开,在复数域 C 上处理这个积分.
cosxsinx=2eix+e−ix=2ieix−e−ix
令 u=eiT , T=ilogu=−ilogu , 接下来发现作为因子的分数可以有理分解
∫cosT+3TsinTdT=∫2eiT+e−iT+3T⋅2ieiT−e−iTdT=−∫6eiT+e2iT+1iT(e2iT−1)dT=−∫u2+6u+1logu⋅(u2−1)d(−ilogu)=i∫u((u+3)2−8)u2−1⋅logudu=i∫u((u+3)2−8)((u+3)2−8)−6u+2⋅logudu=i∫(−ulogu+u2+6u+12(3+u)logu)du=−2ilog2u+2i∫u2+6u+13+u⋅logudu
非常惊喜,可以发现 (u2+6u+1)′=2(u+3) 正好是分子,那么右侧积分可以凑微分进行分部积分:
∫u2+6u+1u+3du=21∫u2+6u+11d(u2+6u+1)=21log(u2+6u+1)
∫u2+6u+13+ulogudu=21log(u2+6u+1)logu−21∫ulog(u2+6u+1)du
上面可以因式分解. 因为形式上已经很接近特殊积分了, 这里我们正式引入多对数函数 Lin(x) . Lin(x) 表示n重对数, 特别地, 其中
Li2(x)=∫−xlog(1−x)dx
这样,对于原式右侧积分我们就可以因式分解后凑一凑
∫ulog(u2+6u+1)du=∫ulog(u+3+22)+log(u+3−22)du=∫ulog(u+3+22)du+∫ulog(u+3−22)du=∫ulog(3+22u+1)+log(3+22)du+∫ulog(3−22u+1)+log(3−22)du=∫3+22ulog(1+3+22u)d(3+22u)+log(3+22)∫udu+∫3−22ulog(1+3−22u)d(3−22u)+log(3−22)∫udu=logulog((3+22)(3−22))−Li2(−(3+22)u)−Li2(−(3−22)u)=−Li2(−(3+22)u)−Li2(−(3−22)u)
其实很超标, 竟然化出来了. 所以我们有:
∫u2+6u+13+ulogudu=21logulog(u2+6u+1)−21(−Li2(−(3+22)u)−Li2(−(3−22)u))=21logulog(u2+6u+1)+21Li2(−(3+22)u)+21Li2(−(3−22)u)
到这里积分 It 就被解决了.
3. It2 的计算
It2=∫t2sint⋅arctan(cost)dt
可能有人疑惑为啥一开始不就把 t2−2πt 作为一个整体进行分部积分, 而要分成 It 和 It2 , 其实先用低次的较简单积分 试试水,有助于理清思路.
t2 看着有点难受,照猫画虎一通处理掉 arctan .
∫t2sintdt=2tsint+(2−t2)cost