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Вуз: Предмет: Файл:

Higher_Mathematics_Part_2

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☆

3.2.25. ∫

(x

+ 2)dx

.

 

3.2.26. ∫

(3

x − 2)dx

.

3.2.27. ∫

 

(x

− 7)dx

.

 

2

 

2

 

 

2

 

 

 

x

− x − 2

 

 

x

+ 8x + 17

 

4x

 

+ 3x − 1

 

3.2.28. ∫

(2x + 1)dx

 

. 3.2.29. ∫

 

(x − 4)dx

 

.

 

3.2.30. ∫

 

 

 

 

xdx

 

.

5x

2

+ 2x + 1

 

x

2

− x + 1

 

 

x

2

− 8x + 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Express the integrant as the sum of partial fractions and determine the resulting integral.

3.3.1. ∫

 

 

 

3x2 + 20x + 9

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 4x +

3)(x +

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.3. ∫

 

 

 

 

 

 

43x − 67

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

− x − 12)(x − 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.5. ∫

 

 

 

 

 

12x

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 6x +

5)(x +

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.7. ∫

 

 

 

 

x2 + 8x − 4

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 5x +

6)(x −

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.9. ∫

 

 

 

6x2 + 6x − 6

 

 

dx .

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x − 2)(x + 1)

 

 

 

 

 

3.3.11. ∫

 

 

 

3x2 + 3x − 24

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

− x

−

2)(x −

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.13. ∫

 

 

 

 

3x2 − 15

 

 

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 5x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 6)(x − 1)

3.3.15. ∫

 

 

 

 

6x

 

 

 

 

dx .

x

3

+ 2x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− x − 2

 

 

 

 

 

3.3.17. ∫

 

 

 

2x2 + 41x − 91

 

 

 

dx .

(x

2

+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 3)(x + 2)

3.3.19. ∫

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

(x

2

+ 8x

+ 15)(x +

1)

 

 

 

 

 

3.3.21. ∫

 

 

 

 

6x4

 

 

dx .

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

− 1)(x + 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.23. ∫

 

 

 

2x2 + 12x − 6

 

 

 

 

dx .

(x

2

1)

 

 

 

 

+ 8x + 15)(x +

 

3.3.2. ∫

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

dx .

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

− 2x + 3)(x − 2)

3.3.4. ∫

 

 

 

 

2x2 + 8x + 9

dx .

(x

2

+ x − 2)(x + 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.6. ∫

 

 

 

 

 

 

2x − 7

 

 

dx .

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

− 5x + 6)(x + 1)

3.3.8. ∫

 

 

 

 

 

 

5x + 17

 

 

 

dx .

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 4x + 3)(x + 5)

3.3.10. ∫

 

 

 

 

 

37x − 85

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x − 3)(x −

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.12. ∫

 

 

 

 

6x2 − 4x + 30

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

− 2x − 3)(x −

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.14. ∫

 

 

 

 

 

x2 − 19x + 6

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 5x + 6)(x −

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.16. ∫

 

 

 

 

4x2 + 32x + 52

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 6x + 5)(x +

3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.18. ∫

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x − 3)(x +

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.20. ∫

 

 

 

 

 

6x2

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 3x + 2)(x −

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.22. ∫

 

 

 

 

 

2x2 − 26

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 4x + 3)(x +

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3.24. ∫

 

 

 

 

 

20x2

 

 

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x − 3)(x −

4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

111

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

3.3.25. ∫

 

 

 

x − 7

 

 

 

dx .

3.3.26. ∫

 

 

6x − 21

dx .

(x

2

− 5x + 6)(x

+ 1)

 

(x

2

+ x − 2)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.27. ∫

 

 

 

2x4 − 3

 

 

 

dx .

3.3.28. ∫

 

 

7x2 − 17x

 

 

dx .

(x

2

− 5x + 4)(x

+ 3)

(x

2

−

2x − 3)(x − 2)

 

 

 

 

 

 

3.3.29. ∫

6x4 − 30x2 + 30

dx

.

3.3.30. ∫

 

3x2 − 17x + 2

 

 

dx .

(x

2

− 1)(x + 2)

 

(x

2

+

5x + 6)(x − 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Express the integrant as the sum of partial fractions and determine the resulting integral.

3.4.1. ∫

 

x3 + 1

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.2. ∫

x3

− 2x 2 − 2x + 1

dx .

x

3

 

− x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

− x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.3. ∫

 

 

 

 

 

 

3x2 + 1

 

 

 

 

dx .

 

3.4.4. ∫

 

 

 

 

x + 2

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

2

 

 

− 1)(x −

1)

 

 

x

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.5. ∫

4x 4

 

 

+ 8x3 − 3x − 3

 

dx .

3.4.6. ∫

 

 

 

 

 

 

x + 2

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ 2x

2

 

+ x

 

 

x

3

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.7. ∫

 

2x 2

 

 

− 2x − 1

dx .

 

3.4.8. ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

x

2

 

− x

3

 

 

 

 

 

(x

2

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x + 1)(x + 1)

3.4.9. ∫

 

2x3 + 1

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

3.4.10. ∫

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

 

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.11. ∫

 

2x2 − 5x + 1

dx .

 

3.4.12. ∫

 

 

x2 + x + 2

dx .

 

 

 

 

 

 

x

3

 

− 2x

2

+ x

 

 

 

 

x

3

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.13. ∫

 

 

3x 2 + 2

 

dx .

 

 

 

3.4.14. ∫

 

4x4 + 8x3 − 1

dx .

 

x(x + 1)

2

 

 

 

(x

2

+ x)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. 15. ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

x + 2

 

 

 

 

 

dx .

 

3.4.16. ∫

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

 

− 2x

2

+ x

 

 

x

3

 

− x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.17. ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 − 3

 

 

 

 

 

dx .

 

3.4.18. ∫

 

6x − 2x2 − 1

 

dx .

(x

2

 

− 1)(x − 1)

 

 

x

3

 

−

2x

2

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.19. ∫

 

 

x3 − 4x 2 − 1

 

dx .

 

3.4.20. ∫

4x 4 + 8x3 − 2

 

dx .

 

x

3

 

− 2x

2

+ x

 

 

 

x(x + 1)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.21. ∫

 

 

 

 

x3 − 4x + 5

 

 

dx .

 

3.4.22. ∫

 

x 2 − 3x + 2

 

dx .

(x

2

 

− 1)(x − 1)

 

 

x

3

 

+

2x

2

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

112

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

3.4.23. ∫

 

 

 

 

x +

5

 

 

 

 

dx .

3.4.24. ∫

 

 

3x2 − 7x + 2

 

dx .

x

3

− x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− x + 1

 

 

 

 

− x)(x − 1)

3.4.25. ∫

 

 

 

 

4x

 

 

 

 

 

dx .

3.4.26. ∫

 

2x3 + 4x + 3

dx .

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ x

2

 

 

− 1)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.27. ∫

 

 

 

2x2 + 1

 

 

dx .

3.4.28. ∫

 

2x3

+ 5x2 − 1

dx .

x

3

− 2x

2

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ x

2

 

 

 

 

 

 

 

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x − x

2

 

 

−

2

 

 

 

 

 

 

4x

3

+ 2x

2

 

 

 

 

 

3.4.29. ∫

 

 

 

dx .

3.4.30. ∫

 

 

+ 1

dx .

 

 

 

 

2

 

 

 

x(x − 1)

2

 

 

 

x(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5. Express the integrant as the sum of partial fractions and determine the resulting integral.

3.5.1. ∫

 

 

3x + 13

dx .

(x

2

+ 2x + 5)(x − 1)

 

 

 

3.5.3.∫ x2 − 6x + 8 dx .

x3 + 8

3.5.5. ∫

 

2x2 + 2x + 20

dx .

(x

2

+ 2x + 5)(x − 1)

 

 

 

3.5.7.∫ 7x − 10 dx .

x3 + 8

3.5.9.∫ 4x − x2 − 12 dx .

x3 + 8

3.5.11. ∫

 

2x2 + 2x + 20

dx .

(x

2

+ 2x + 5)(x − 1)

 

 

 

3.5.13.∫ 6 − 9x dx .

x3 + 8

3.5.15.∫ 4x + x + 10 dx .

x3 + 82

3.5.17. ∫

 

(x 2 + 4x + 20)dx

.

 

2

 

(x

 

− 4x + 13)(x + 1)

3.5.19. ∫

 

 

 

8

 

 

dx .

 

(x

2

+ 6x +

 

 

 

 

 

13)(x + 1)

3.5.2. ∫

 

 

 

 

12 − 6x

 

(x

2

− 4x

+ 13)(x + 1)

 

 

 

 

3.5.4. ∫

 

 

 

4x + 2

dx .

 

x

4 2

 

 

 

+ 4x

 

3.5.6.∫ x2 + 3x + 2 dx .

x3 − 1

9(x − 1)dx 3.5.8. ∫ (x 2 − 4x + 13)(x + 1) .

3.5.10.∫ 3 − 9x dx .

x3 − 1

3.5.12. ∫

 

 

(4x − 10)dx

.

 

 

2

 

 

(x

− 2x + 10)x

3.5.14. ∫

 

(x

2 − 13x + 40)dx

2

− 4x + 13)(x + 1)

 

(x

3.5.16. ∫

 

 

6x

 

dx .

 

x

3

− 1

 

 

 

 

 

3.5.18.∫ 3x + 2x + 1 dx .

x3 − 12

3.5.20. ∫

 

(4x 2 + 38)dx

(x

2

 

− 2x + 2)(x + 2)

dx .

.

.

113

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3.5.21. ∫

 

 

 

19x − x

2 − 34

 

dx .

3.5.22. ∫

 

2x 2 + 7x

dx .

 

 

 

 

 

(x

2

− 4x +

 

 

 

 

x

3

− 8)

 

 

 

 

 

 

 

 

13)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.23. ∫

 

 

 

 

36

 

 

 

dx .

3.5.24. ∫

 

 

 

 

5x + 13

 

 

 

dx .

 

(x

2

− 2x +

 

 

 

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10)(x + 2)

 

 

 

+ 6x + 13)(x + 1)

3.5.25. ∫

 

 

 

 

x2 − 5x + 40

dx .

3.5.26. ∫

 

 

 

4x2 + 7x + 5

 

dx .

 

(x

2

− 2x +

5)(x + 2)

(x

−

1)(x

2

+ 2x +

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.27. ∫

 

 

 

 

x2 + 23

 

dx .

3.5.28. ∫

 

 

 

4x2 + 3x + 17

 

 

 

dx .

 

(x

2

+ 2x +

5)(x + 1)

 

(x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2x + 5)(x − 1)

3.5.29. ∫

 

 

5x2 + 17x + 36

dx .

3.5.30. ∫

 

 

 

 

2x + 22

 

dx .

(x

2

+ 6x + 13)(x + 1)

(x

2

− 2x + 5)(x −

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Topic 4. Integrals involving powers of trigonometric functions

This section shows how to integrate certain products of powers of the six trigonometric functions, sin x, cos x, tg x (tan x), ctg x (cot x), sec x, cosec x (csc x),

sin mx, cos nx and so on. Since tg x =

sin x

, ctg x =

cos x

, sec x =

1

and

cos x

sin x

cos x

 

 

 

 

cosec x = sin1 x , any such product can be expressed in the form sinnx cosmx for some integers n and m, positive, zero, or negative. The methods in this section

thus show how to compute ∫ sinn x cosm x dx for certain convenient

combinations of n and m.

The technique described in this section — a particular substitution — reduces the integration of any rational function R of sin x and cos x such as

∫ R(sin x, cos x)dx to the integration of a rational function of t. The latter can be accomplished by partial fractions. The method depends on the fact that sin x and cos x can both be expressed as rational functions of tg 2x .

Consider – π < x < π and let t = tg 2x .

Literature: [1, section 6, ch. 6.5], [2, section 2, ch. 2.1], [4, section 7, § 22], [6, section 8], [7, section 10, § 12], [9, § 32].

114

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Т.4

Main concepts

 

 

4.1. Integration of sin mx cos nx, sin mx sin nx and cos mx cos nx

In this case are given the formulas:

sin mx cos nx =

 

1

[sin(m + n)x + sin(m − n)x] ,

2

 

 

sin mx sin nx =

1

 

[cos(m − n)x − cos(m + n)x] ,

2

 

 

 

 

cos mx cos nx =

 

1

[cos(m − n)x + cos(m + n)x] .

2

 

 

4.2. Integration of sinnx cosmx

 

 

 

 

Consider the integral ∫ sinn x cosm xdx , where n and m are nonnegative integers.

4.2.1.If m = 1 and n ≥ 1 then the integral becomes: ∫ sinn x cos xdx . The substitution t = sin x turns this integral into the easy integral ∫tndt.

4.2.2.If n = 1 and m ≥ 1 then the integral becomes: ∫ cosm xsin xdx .

The substitution t = cos x turns this integral into the easy integral −∫tndt. 4.2.3. If m = 0 and n ≥ 3 and n = 2k + 1 is odd positive integer then the given

integral becomes ∫sinn x dx .

Recall that d(cos x) = –sin x dx. Thus

∫sin2k +1x dx = ∫sin2k x sin xdx = −∫(1− cos 2 x)k d (cos x) . This integral is easier than is given.

4.2.4.Similarly if n = 0 and m ≥ 3 and m = 2k + 1 is odd positive integer:

∫cos2k +1x dx = ∫cos2k x cos xdx = ∫(1− sin 2 x)k d (sin x) .

4.2.5.If m = 0 and n ≥ 2 and n = 2k is even positive integer then the given integral becomes ∫sin2k x dx .

Replace sin2x by

1− cos2x

. Then the given integral becomes

 

2

 

 

1− cos 2 x k

∫

 

 

dx and is easier than

2

 

 

 

4.2.6. If n = 0 and m ≥ 2 and m integral becomes ∫cos2k x dx .

is given.

= 2k is even positive integer then the given

115

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Similarly replace cos2x by 1+ cos2x . 2

4.2.7. More generally to find ∫ sinn x cosm xdx , where m and n are non-

negative integers and n is odd, pair one sin x with dx to form sin x = − d(cosx) and use the identity sin2x = 1 − cos2x together with the substitution t = cosx. The new integrand will be a polynomial in t. A similar approach works on

∫ sinn x cosm xdx , if m is odd, as is illustrated by example 9.

If both n and m are even in ∫ sinn x cosm xdx the method of example 9 does

not apply. It

then helps

to use the identities sin2 x =

1− cos 2x

and

cos2 x = 1+ cos 2x .

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4.3. Integration of tgmx secnx

 

 

Recall that

d(tg x) = sec2

x dx and d(sec x) = sec x tg x dx. These formulas

facilitate the computation of ∫tgmx secnx dx m and n nonnegative integers, when

m is odd or n is even. When m is odd , form sec x tg x dx , when n is even, form sec2x dx.

4.4. Description of the method

The method depends on the fact that cos x and sin x can both be expressed

as rational functions of

 

tg

 

 

x

= t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The substitution t = tg

 

x

 

 

x

= arctg t x = 2arctg t

dx =

2dt

,

thus leads to the formulas:

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x =

 

2t

 

 

,

cos x =

1− t 2

and

dx =

 

2

dt .

 

 

 

 

 

+ t 2

 

1+ t 2

 

+ t 2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

This substitution transforms any integral of a rational function of cos x and sin x into an integral of a rational function of t. The resulting rational function can then be integrated by the method of partial fractions.

This method is used to integrate a function such as

∫ dx . a cos x + b sin x + c

Keep in mind that the substitution t = tg 2x is called upon only when easier ways, such as those in the preceding section, don’t work.

116

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Summary of this section

The following table summarizes the techniques discussed and similar ones for other powers of trigonometric functions.

Table 2.2

№

Integrand

 

 

 

 

 

 

 

Technique

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

sin2x

 

 

 

 

Write sin2x as

1− cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

cos2x

 

 

 

 

Write cos2x as

1+ cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

sinnx (n odd)

 

 

Write sinnx dx = sinn - 1x(sin x dx) and

 

 

 

 

 

 

use t = cos x; hence 1 – t2 = sin2x

 

 

 

4

cosmx sinnx

Write cosmx sinnx dx = cosmx sinn - 1x(sin x dx) and

 

(n odd)

 

 

 

use t = cos x; hence 1 – t2 = sin2x

 

 

 

5

cosmx sinnx

Write cosmx sinnx dx = cosm - 1 x sinnx (cos x dx) and

 

(m odd)

 

 

 

use t = sin x; hence 1 – t2 = cos2x

 

 

 

6

cosmx sinnx

Replace cos2x by

1+ cos2x

 

and sin2x by

1− cos2x

 

(m and n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

positive even

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integers)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

tgmx secnx

Write tgmx secnx dx as tgmx secn -2 x (sec2x dx) and

 

(n ≥ 2 even)

 

 

 

use t = tg x; hence 1 + t2 = sec2x

 

 

 

 

8

tgmx secnx

Write tgmx secnx dx as tgm - 1x secn - 1 x (tg x sec x dx)

 

(m odd)

 

 

and use t = sec x; hence t2 – 1 = tg2x.

 

9

tgnx (n ≥ 2)

Write tgnx= tgn - 2x tg2x = tgn – 2x sec2 x - tgn – 2x and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

repeat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

sec x

 

 

 

∫sec x dx = ln |sec x + tg x| + C

 

 

 

 

11

ctgmx cosecnx

Write ctgmx cosecnx as ctgmx cosecn - 2x (cosec2 x dx)

 

(n ≥ 2 even)

and use t = ctg x; hence 1 + t2 = cosec2x

12

ctgmx cosecnx

Write ctgmx cosecnx as ctgm - 1x cosecn - 1x (сtg x

 

(m odd)

cosec x dx) and use t = cosec x; hence t2 - 1= ctg2x

13

tgmx secnx(m

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

x + 1

 

 

 

 

 

 

and n even)

 

 

 

 

Replace sec x by tg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

∫sin

n

 

1

 

 

n−1

 

 

 

 

n − 1

∫sin

n−2

xdx

 

sinn x

 

xdx

= − n cos xsin

 

 

x +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

15

 

∫cos

n

 

 

1

 

 

n−1

 

 

 

n −1

∫ cos

n−2

 

 

cosn x

 

x dx =

 

sin x cos

 

 

x +

 

 

 

 

 

 

 

xdx

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

secn−2 x tg x

 

 

n − 2

∫sec

n−2

 

 

 

secn x (n ≥ 2)

∫secn x dx =

n − 1

 

+

 

 

 

 

 

x dx

 

 

n − 1

 

 

 

 

 

 

 

 

117

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Т.4

Typical problems

 

 

Find the integrals 1. ∫sin 2x cos 6xdx .

Solution. Since sin 2x cos 6x = 12 (sin 8x − sin 4x) , then

∫sin 2x cos 6xdx = 12 ∫(sin 8x − sin 4x)dx = − 161 cos 8x + 18 cos 4x + C .

2.∫cos2 xdx .

Solution. Replace cos2x by

 

1+ cos2x , then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫cos

2

xdx = ∫

1+ cos 2x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

dx = ∫ 2 dx + ∫ 2 cos 2xdx =

2 x +

4 sin 2x + C.

 

3.

I = ∫sin4 2xdx .

 

 

 

 

 

 

 

1− cos2x , then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Replace sin2x by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = ∫(sin

2

2

= ∫

1 − cos4x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x) dx

 

 

 

 

 

2

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫(1− 2 cos 4x + cos

 

4x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

2

1

 

∫

 

 

− 2 cos 4x +

1+ cos8x

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

1

 

 

 

2

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

=

 

 

∫

 

 

 

− 2 cos 4x +

 

 

 

cos8x dx =

 

 

 

 

 

 

 

x

− 2

 

 

sin 4x +

 

 

 

sin 8x

+ C=

4

2

2

 

4

2

 

 

4

2

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

3 x − 1 sin 4x +

 

 

1

 

sin 8x + C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

64

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

∫sin 5 xdx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. ∫sin 5 xdx = ∫sin 4 x sin xdx = ∫(1− cos2 x)2 sin xdx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫(1− cos2 x)2 d(− cos x) =

 

cos x = t

 

= −∫(1− t 2 )2 dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −∫(1− 2t 2 + t 4 )dt = − t +

2

t 3 −

t 5

 

+ C = − cos x +

2

cos

3 x −

cos5 x

 

+ C .

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

5.

∫ tg5 xdx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Multiplying the integrand we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

118

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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∫ tg

5

 

xdx

 

=

∫ tg x

(tg

2

x)

2

dx = ∫ tg x (

 

1

 

 

− 1)

2

dx

= ∫

 

 

tg x

 

 

dx

−

 

 

 

 

 

cos

2

 

 

 

 

 

cos

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

− 2 ∫

 

 

tg x

 

 

dx +∫ tg xdx = ∫

sin x

 

dx

−2∫ tg xd tg x

+ ∫

 

 

sin x

dx =

 

 

 

cos

2

 

 

cos

5

x

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −∫

 

d cos x

− tg

2

x

− ∫

d cos x

=

 

 

1

 

 

 

 

− tg

2

x

− ln

 

cos x

 

+ C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

cos x

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

x

 

 

 

 

 

 

4 cos

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ∫sin7 3xdx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Recall that d(cos 3x) = − 3sin 3x dx. Thus:

∫sin7 3xdx = ∫sin6 3x sin 3xdx = − 13 ∫(1− cos2 3x)3 d (cos3x).

Let t = cos3x, we obtain then

∫sinn 3xdx = −

1

∫(1− t2 )3 dt =

 

 

3

 

 

 

1

∫(1− 3t

2

 

4

 

 

6

)dt = −

1

 

3

 

3

 

5

 

1

 

6

 

 

 

= −

 

 

+ 3t

 

− t

 

 

t − t

 

+

 

t

 

−

 

t

 

−

3C

=

3

 

 

 

3

 

5

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=− 13 cos3x + 13 cos3 3x − 15 cos5 3x + 181 cos6 3x + C.

7.∫sin5 x cos xdx .

Solution.

The substitution sin x = t transforms the given integral into

∫ sin5 x cos xdx = ∫ sin5 xd(sin x) = ∫ t5 dt =

t6

+ C =

sin6 x

+ C .

 

 

6

6

 

8. I = ∫sin4 xcos5 xdx.

Solution.

Let’s represent the product of cos x and dx as cos x dx = d(sin x), which suggests the substitution t = sin x:

I = ∫sin4 xcos4 xd(sin x) =

= ∫sin4 x(1 − sin2 x)2 d(sin x) = ∫t 4 (1 − t 2 )2 dt = ∫t 4 (1 − 2t 2 + t 4 )dt =

∫(t 4 − 2t6 + t8 )dt =

t5

−

2t7

+

t9

+ C = sin5 x

−

2sin7 x

+ sin9 x

+ C.

 

7

 

7

5

 

9

5

 

9

 

9. I = ∫sin4 xcos2 xdx.

119

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Solution. I = ∫(sin

2

2

 

2

xdx = ∫

1 − cos2x 2

1 + cos2x

dx

=

 

 

 

 

x) cos

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1 ∫ (1− 2 cos 2x + cos2

2x)(1+ cos 2x)dx =

 

 

 

 

 

 

1

∫ (1− cos 2x

8

 

 

 

 

2x)dx =

1

x

 

sin 4x

 

sin3

2x

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

=

 

− cos

 

2x + cos

 

 

 

 

−

 

−

 

 

 

 

+ C.

8

 

 

8

2

8

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Find ∫ tgm x dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Keep in mind that tg′ x = sec2x

and that tg2x = sec2x − 1. The steps

are few: ∫ tgm x dx = ∫ tgm−2 x tg2 xdx = ∫ tgm−2 x (sec2 x − 1)dx =

 

 

 

 

= ∫ tgm−2 x sec2 xdx − ∫ tgm−2 xdx = t = tg x =∫tm−2dt − ∫ tgm−2 xdx =

=tgm−1 x − ∫ tgm−2 xdx. m − 1

Repeated application of this recursion eventually produces ∫ tg xdx or

∫ tg0 xdx. Both are easily computed: ∫ tg xdx = − ln

 

cos x

 

+ C;

∫ tg0 xdx = x + C.

 

 

11. Obtain a recursion formula for ∫secn xdx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Write secnx as secn –2x sec2x and use integration by parts:

 

∫secn−2 x sec2 xdx =

 

u = secn−2

x du =

(

n − 2

)

secn−2

x tg xdx

 

=

 

 

 

dv = sec

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx v = tg x

 

 

 

= secn−2 tg x − ∫ tg x (n − 2)secn−2 x tg xdx = secn−2 x tg x −

 

− (n − 2)∫secn−2 x(sec2 x − 1)dx = secn−2 x tg x − (n − 2)∫secn xdx +

+ (n − 2)∫secn−2 xdx. Collecting ∫secn x dx, we obtain

(n − 1)∫secn xdx = secn−2 x tg x + (n − 2)∫secn−2 xdx and therefore

∫secn xdx =

secn−2 x tg x

+

 

n − 2

 

∫secn−2 dx .

 

 

 

 

n − 1

 

 

 

 

 

 

n − 1

 

 

 

 

 

 

 

12. ∫sec xdx.

 

dx

 

cos x dx

 

 

 

cos x dx

 

 

 

Solution. ∫sec xdx = ∫

= ∫

= ∫

=

 

 

cos x

cos

2

x

1 − sin

2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

t = sin x;

 

= ∫

 

 

dt

 

 

= 1 ln

 

1+ t

 

+ C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt = cos x dx.

1

− t

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1− t

 

 

 

 

 

 

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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