第二类换元法之其它方法

第二类换元法还有其它的方法,这里我们列举一些。这些方法的基本思想是将被积函数简化,从而使积分更容易求出。

1,双曲代换:双曲代换类似于三角代换,实际上,能够应用三角代换的地方,大部分都能应用双曲代换。因为双曲函数也有平方和公式。

\[ x=\sinh t,dx=\cosh tdt\]

或者

\[ x=\cosh t, dx=\sinh tdt\]

所谓的双曲函数主要是这两个函数:\(\displaystyle \sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}{2}\),\(\displaystyle \cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}{2}\)。

它们分别称为双曲正弦函数与双曲余弦函数。当然还有双曲正切函数、双曲余切函数,它们的定义与正切函数与余切函数一样:

\[\tanh x=\frac{\sinh x}{\cosh x}, \coth x=\frac{\cosh x}{\sinh x}\]

双曲函数的平方和公式为

\[\cosh^2x=\sinh^2x+1\]

反双曲函数的定义为:\(\displaystyle \sinh^{-1}x=\ln \left(x+\sqrt{x^2+1}\right)\),\(\displaystyle \cosh^{-1}x=\ln \left(x+\sqrt{x^2-1}\right)\)

例1,求\(\displaystyle\int \frac{dx}{\sqrt{x^2-a^2}}\)

解:令\(x=a\cos ht\),\(dx=a\sin htdt\)

\[\begin{align*} \int \frac{dx}{\sqrt{x^2-a^2}}&=\int \frac{a\sin htdt}{\sqrt{a^2\cosh^2t-a^2}}\\ &=\int \frac{\sin ht}{\sin ht}dt=\int dt=t+C\end{align*}\]

代回原来变量:\(\displaystyle x=a\cosh t, \cosh t=\frac{x}{a}\),由反双曲函数公式得到

\[ t=\cos h^{-1} \frac{x}{a}=\ln\left(\frac{x}{a}+\sqrt{\left(\frac{x}{a}\right)^2-1}\right)\]

因此,

\[\begin{align*}\int \frac{dx}{\sqrt{x^2-a^2}}&=\ln\left(\frac{x}{a}+\sqrt{\left(\frac{x}{a}\right)^2-1}\right)+C\\ & =\ln\left(\frac{x}{a}+\frac{1}{a}\sqrt{x^2-a^2}\right)+C\\ & =\ln\left(x+\sqrt{x^2-a^2}\right)-\ln a+C\\ & =\ln\left(x+\sqrt{x^2-a^2}\right)+C\end{align*}\]

这里 \(a\) 没有出现了,是因为 \(\ln a\) 也是一个常数,可以并入 \(C\) 里。

例2,求\(\displaystyle\quad\int \frac{dx}{\sqrt {x^2+a^2}}\)

解:令\(\quad x=a\sinh t\),\(dx=a\cosh tdt\),则

\[\begin{align*}\int\frac{dx}{\sqrt {x^2+a^2}}&=\int \frac{a\cosh tdt}{\sqrt {a^2\sinh^2t+a^2}} =\int dt\\ &=t+C =\sinh^{-1} \frac{x}{a}+C\\ &=\ln|x+\sqrt{x^2+a^2}|+C\end{align*}\]

2,例代换:另一个常用的第二类换元法是倒代换,就是做代换 \(\displaystyle\quad x=\frac{1}{t}, dx=-\frac{1}{t^2}dt\)

例3,求积分 \(\displaystyle\int \frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx\)

解:令\(x=\frac{1}{t}, dx=-\frac{1}{t^2}dt\)

\[\int \frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx=\int \frac{\sqrt{a^2-\frac{1}{t^2}}}{\frac{1}{t^4}}\cdot \left(-\frac{1}{t^2}\right) d=-\int t^2\cdot \sqrt{a^2-\frac{1}{t^2}}dt\]

由于\(\displaystyle\quad t>0,\quad x>0\),所以

接\[-\int t^2\cdot \sqrt{a^2-\frac{1}{t^2}}dt=-\int t^2\cdot \sqrt{a^2-\frac{1}{t^2}}dt=-\int t\sqrt{a^2t^2-1} dt\]

令\(\displaystyle\quad u=a^2t^2-1\),则\(\displaystyle\quad du=2a^2tdt\),得到

\[\begin{align*}\int \frac{\sqrt{a^2-x^2}}{x^4}dx&=-\int t\sqrt{a^2t^2-1} dt=-\frac{1}{2a^2}\int \sqrt{u}du\\ &=-\frac{1}{2a^2}\cdot \frac{2}{3}u^{\frac{3}{2}}+C=-\frac{1}{3a^2}\left(a^2t^2-1\right)^{\frac{3}{2}}+C\\ &=-\frac{1}{3a^2}\left(\frac{a^2}{x^2}-1\right)^{\frac{3}{2}}+C=-\frac{1}{3a^2x^3}\left(a^2-x^2\right)^{\frac{3}{2}}+C\end{align*}\]

3,万能代换:也称为半角代换,就是做代换 \(\displaystyle\quad x=\tan \frac{t}{2}\),\(\displaystyle\quad t=\tan \frac{x}{2}\),这样的话,

\[\sin x=\frac{2\tan \frac{x}{2}}{1+\tan \frac{x}{2}}=\frac{2t}{1+t^2},\cos x=\frac{1-\tan^2 \frac{x}{2}}{1+\tan^2 \frac{x}{2}}=\frac{1-t^2}{1+t^2}\]

从而关于三角函数的代数函数 \(\displaystyle f(\sin x, \cos x)=f\left(\frac {2t}{1+t^2}, \frac{1-t^2}{1+t^2}\right)\) 就可以化成有理函数,而有理函数总是可以求出积分的。

要注意,虽然万能代换能将所有的三角函数化成有理函数,但有时候这个方法并不是最简单的方法。