Methods of Integration |Integration using Trigonometric Identities
Integration by Substitution
If we have to evaluate an integral of the type
∫f{Φ(x) Φ'(x)dx then we put Φ(x) =t and Φ'(x) dx = dt. With this substitution, the integrand becomes easily integrable.
Case1 When the integrand is of the form
f(ax + b), we put (ax +b)= t and dx =(1/a)dt
Case II When the integrand is of the form xⁿ⁻¹.f(xⁿ), we put xⁿ = t and nxⁿ⁻¹dx = dt.
Case III When the integrand is of the form
{f(x)}ⁿ f'(x), we put f(x) = t and f'(x)dx=dt.
Case IV When the integrand is of the form
f'(x)/f(x) we put f(x) = t and f'(x)dx=dt.
Theorem
∫(ax+b)ⁿdx={(ax+b)ⁿ⁺¹/a(n+1)}+C where n≠-1
Proof
Putting ax+b=t
we get adx =dt or dx =(1/a)dt
∴ ∫(ax+b)ⁿdx=1/a∫ tⁿdt
={tⁿ⁺¹/a(n+1)}+C
∫(ax+b)ⁿdx =(ax+b)ⁿ⁺¹/a(n+1) +C
Theorem
- ∫cos(ax+b)dx=(1/a)sin(ax+b)+C
Proof
Put(ax+b)=t so that dx=(1/a)dt ∴ ∫cos(ax+b)dx=(1/a)∫cost dt
=(1/a)sint+C
=(1/a).sin(ax+b)+C
∫cos(ax+b)dx=(1/a) sin(ax+b)+C
(ii)∫cosec²(ax+b)dx = -(1/a) cot(ax+b)+C
Proof
Put(ax+b)=t so that dx=(1/a) dt
cosec²(ax+b)dx= (1/a)∫cosec²t dt
=-(1/a)cot t +C
=-(1/a).cot(ax+b) +C
For e.g
(i) ∫tanxdx
solution
= ∫tanxdx
=∫(sinx/cosx) dx
=∫(1/t)dt [where cosx= t and sinxdx=-dt]
= -log|t|+C
∫tanxdx =-log|cosx|+C
∴ ∫tanxdx =-log|cosx|+C
(ii) ∫cotxdx
solution
∫cotxdx=∫(cosx/sinx)dx
=∫(1/t)dt [where sinx= t and cosxdx=-dt]
= log|t|+C
=log|sinx|+C
∴ ∫cotxdx =log|sinx|+C
(iii)∫secxdx
solution
∫secxdx=∫{secx(secx+tanx)/(secx+tanx)}dx
[multiplying numerator and denominator by (secx+tanx)]
=∫(1/t)dt
[ where (secx+tanx)= t and secx(secx+tanx)dx=dt ]
= log|t|+C
=log| (secx+tanx) |+C
∴ ∫secxdx =log| (secx+tanx) |+C
(iv) ∫cosecxdx
solution
∫cosecxdx
=∫{cosecx(cosecx-cotx)/(cosecx-cotx)}dx
[multiplying numerator and denominator by (cosecx-cotx)]
=∫(1/t)dt
[ where (cosecx-cotx) = t and cosecx(cosecx-cotx)dx=dt ]
= log|t|+C
=log|(cosecx-cotx) |+C
∴ ∫cosecxdx =log|(cosecx-cotx) |+C
Integration Using Trigonometric Identities
When the integrand consists of trigonometric functions, we use known identities to convert it into a form which can easily be integrated. Some of the identities useful for this purpose are given below:
(i)2sin²(x/2)=(1-cosx)
(ii)2cos²(x/2)=(1+cosx)
(iii)2sinacosb=sin(a+b)+sin(a-b)
(iv)2cosasinb =sin(a+b)-sin(a-b)
(v)2cosacosb=cos(a+b)+cos(a-b)
(vi)2sinasinb=cos(a-b)-cos(a+b)
For Example
(i) ∫(sin3xsin2x)dx
Solution
∫(sin3xsin2x)dx
using 2sina sinb=cos(a-b)-cos(a+b) we have
∫(sin3xsin2x)dx=1/2∫(2sin3xsin2x)dx
=1/2∫(cosx-cos5x)dx
=1/2[∫(cosx)-∫(cos5x)dx
∫(sin3xsin2x)dx = (1/2)sinx – sin5x/10 +C
(ii) ∫cos3xsin2xdx
Solution
∫cos3xsin2xdx
using 2cosa sinb=sin(a+b)-sin(a-b)
∫cos3xsin2xdx =1/2∫(2cos3xsin2x)dx
=1/2∫(sin5x-sinx)dx
=1/2[∫(sin5x)-∫(sinx)dx]
∫cos3xsin2xdx =cos5x/10+cosx/2+C
∫cos3xsin2xdx=cos5x/10+cosx/2+C
(iii) ∫(sin³xcos³x)dx
solution
∫(sin³xcos³x)dx=∫(sin³xcos²xcosx)dx
=∫(sin³x(1-sin²x)cosx)dx
=∫t³(1-t²)dt [where sinx=t]
=∫t³dt-∫t⁵dt
=t⁴/4-t⁶/6+C
∫(sin³xcos³x)dx =sin⁴x/4-sin⁶x/6+C
∫(sin³xcos³x)dx=sin⁴x/4-sin⁶x/6+C
(iv) ∫sin⁴xdx
solution
∫sin⁴xdx=1/4∫(2sin²x)²dx
=1/4∫(1-cos2x)²dx
=1/4∫(1+cos²2x-2cos2x)dx
=1/8∫(2+2cos²2x-4cos2x)dx
=1/8∫[2+(1+cos4x)-4cos2x]dx
=3/8∫dx+1/8∫(cos4x)dx-1/2∫(cos2x)dx
=3/8x+sin4x/32-sin2x/4+C
∫sin⁴xdx =3/8x+sin4x/32-sin2x/4+C
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