三角换元的本质

三角换元的本质是利用两个三角恒等式sin2x+cos2x=1sin^2x + cos^2x = 1,1+tan2x=sec2x1 + tan^2x = sec^2x进行换元,针对如a2−x2\sqrt{a^2 - x^2}的形式,可起到消去根号的作用。具体来说:

对于a2−x2\sqrt{a^2 - x^2}的形式,令x=asintx=asint或x=acostx=acost,即对应1−sin2x=cos2x1-sin^2x=cos^2x或1−cos2x=sin2x1-cos^2x=sin^2x

对于a2+x2\sqrt{a^2 + x^2}的形式,令x=atanxx=atanx,即对应1+tan2x=sec2x1+tan^2x=sec^2x

对于x2−a2\sqrt{x^2 - a^2}的形式,令x=asecxx=asecx,即对应1−sec2x=tan2x1-sec^2x=tan^2x

辅助三角形

下面通过一道例题引出本小节内容

例1求不定积分∫a2−x2dx\begin{aligned} & \text{例1} \quad \text{求不定积分}\int \sqrt{a^2 - x^2} dx \end{aligned}

解:

令x=asin⁡t,−π2<t<π2,则a2−x2=a2−a2sin⁡2t=acos⁡t,dx=acos⁡tdt则原积分化为∫a2−x2dx=∫acos⁡t⋅acos⁡tdt=a2∫cos⁡2tdt=a22t+a22sin⁡tcos⁡t+C\begin{aligned} & 令x=a\sin t,-\frac{\pi}{2}<t<\frac{\pi}{2},则\sqrt{a^{2}-x^{2}}=\sqrt{a^{2}-a^{2}\sin^{2}t}=a\cos t,d x=a\cos t d t \\ & 则原积分化为\int\sqrt{a^{2}-x^{2}}d x=\int a\cos t\cdot a\cos t d t=a^{2}\int\cos^{2}t d t = \frac{a^{2}}{2}t+\frac{a^{2}}{2}\sin t\cos t+C \end{aligned}

此时,需要将积分还原为xx的积分,注意到,此时结果中出现了costcost,在其他题目中,还可能出现tant,secttant,sect等,将这些值计算出来就需要用到辅助三角形,通过x=asintx=asint即sint=xasint=\frac{x}{a},可以画出辅助三角形

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从上述辅助三角形可以看出,cos⁡t=a2−x2a\cos t=\frac{\sqrt{a^{2}-x^{2}}}{a},故积分结果为

∫a2−x2dx=a22arcsin⁡xa+12xa2−x2+C\int\sqrt{a^{2}-x^{2}}d x=\frac{a^{2}}{2} \arcsin\frac{x}{a}+\frac{1}{2}x\sqrt{a^{2}-x^{2}}+C

其他可以使用三角换元的情况

三角换元无需拘泥于上述三种情况,对于被积式中出现a2−x2a^{2}-x^{2}的情况,如(a2−x2)2(a^{2}-x^{2})^2,均可以尝试使用三角换元

例2求不定积分∫2+x(1+x2)2dx\begin{aligned} & \text{例2} \quad \text{求不定积分} \int\frac{2+x}{(1+x^{2})^{2}}d x \end{aligned}

解:

令x=tan⁡x,−π2<t<π2,dx=sec⁡2tdt则原积分化为∫2+tan⁡tsec⁡4tsec⁡2tdt=∫2cos⁡2t+sin⁡tcos⁡tdt=12sin⁡2t+t+sin⁡2t+C=sin⁡tcos⁡t+t+sin⁡2t+C根据辅助三角形sin⁡t=xx2+1,cos⁡t=1x2+1,得∫2+x(1+x2)2dx=x2+xx2+1+arctan⁡x\begin{aligned} & 令x= \tan x,-\frac{\pi}{2}<t<\frac{\pi}{2},d x=\sec^2 t d t \\ & 则原积分化为\int\frac{2+\tan t}{\sec^{4}t}\sec^{2}t d t=\int2\cos^{2}t+\sin t\cos t d t = \frac{1}{2}\sin2t+t+\sin^{2}t+C \\ & =\sin t\cos t+t+\sin^{2}t+C \\ & 根据辅助三角形\sin t = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 1}},\cos t = \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}},得\int\frac{2+x}{(1+x^{2})^{2}}d x = \frac{x^2 + x}{x^2 + 1} + \arctan x \end{aligned}