AMM 104: Calculus II Instruction Hours: 45 Pre-requisites: AMM 103 Purpose of the course To introduce the student to basic integration methods and their applications Expected Learning Outcomes By the end of the course the learner should be able to: i) State the fundamental theorem of integral calculus ii) Use various integration methods to integrate functions iii) Apply integration to find the length of an arc, area under a curve and the volume of solid of revolution iv) Evaluate definite integrals by trapezoidal and Simpson’s rules Course Content Anti-derivative, Fundamental theorem of integration. Techniques of integration: Rules of integration, Methods of integration: Algebraic substitution, powers of trigonometric functions, Use of factor and t-formulae, use of inverse trigonometric and hyperbolic functions, Integration by partial fractions. Integration by parts, Reduction formulae. Applications of Integration; arc length, area and volume of solids of revolution, mean value and root-mean square value. Multiple Integrals: Double integrals, change of the order of integration and the Fubini’s theorem. Polar and curvilinear coordinates. Moment of inertia. Change of the coordinate system. Triple integrals, space coordinate systems. Power series: Maclaurin’s and Taylor’s theorems and their applications to singular integrals. Teaching / Learning Methodologies: Lectures; Tutorials; Class discussion Instructional Materials and Equipment: Handouts; White board Course Assessment: Examination - 70%; Continuous Assessments (Exercises and Tests) - 30%; Total - 100% 1 Recommended Text Books 1. Tom M. Apostol (2007); Calculus, Volume I, 2nd Ed; Wiley 2. Alex (2009); Calculus Ideas and Applications; John Wiley and Sons 3. Thomas G.B., and Finney R.L (2009) 11th Edition; Calculus and Analytical geometry, Wesley 4. Hunt Richard A (2009); Calculus; (2nd Edition); Harper Collins College Publishers Text Books for further Reading 1. Bradley Smith (2009); Calculus; Prentice Hall- Gale. 2. Stein Sheran K. (2008); Calculus with analytic Geometry; McGraw Hill. 3. Boyce William E and DiPrima, Richard C.(2008); Calculus; John Wiley. 4. Hirst K. E and Hirst K. E (2005); Calculus of One Variable; Springer Integral Calculus Integration is the process by which we determine functions from their derivatives. Integration and differentiation are intimately connected. They are reverse processes of each other. The process of determining a function from its derivative đ(đĽ) and one of its known values has two steps. The first is to find a formula that gives us all the functions that could possibly have đ(đĽ) as a derivative. These functions are the so – called antiderivatives of đ, and the formula that gives them all is called the indefinite integral of đ. The second step is to use the known function value to select the particular antiderivative needed from the indefinite integral. Finding Antiderivaties – Indefinite Integrals Definitions A function đš(đĽ) is an antiderivative of a function đ(đĽ) if đš ′ (đĽ) = đ(đĽ) for all đĽ in the domain of đ. The set of all antiderivatives of đ is the indefinite integral of đ with respect to đĽ denoted by 2 ∫ đ(đĽ)đđĽ. The symbol ∫ is an integral sign. The function đ is the integrand of the integral and đĽ is the variable of integration. In integral notation we write ∫ đ(đĽ) đđĽ = đš(đĽ) + đś. (1) The constant C is the constant of integration or the arbitrary constant. Equation (1) is read, “The indefinite integral of đ with respect to x is đš(đĽ) + đś". When we find đš(đĽ) + đś, we say that we have integrated đ and evaluated the integral. Example Evaluate∫ 2đĽ đđĽ. Solution an antiderivative of 2x ∫ 2đĽ đđĽ = đĽ 2 + đś The formula đĽ 2 + đś generates all the antiderivatives of the function 2x. The functions đĽ 2 + 1, đĽ 2 − đ, and đĽ 2 + √2 are all antiderivatives of the function 2x as can be verified by differentiation. The process of integration reverses the process of differentiation. In differentiation, if đ(đĽ) = 2đĽ 2 then đ ′ (đĽ) = 4đĽ. Thus the integral of 4x is 2đĽ 2 , i.e. integration is the process of moving from đ ′ (đĽ) tođ(đĽ). By similar reasoning, the integral of 2t isđĄ 2 . đđŚ In differentiation, the differential coefficient đđĽ indicates that a function of x is being differentiated with respect to x, the ‘dx’ indicating that it is ‘with respect to x’. In integration, the variable of integration is shown by adding d (the variable) after the function to be integrated. Thus ∫ 4đĽ đđĽ means ‘the integral of 4x with respect to x’, and ∫ 2đĄ đđĄ means ‘the integral of 2t with respect to t’. As stated above, the differential coefficient of 2đĽ 2 is 4x, hence ∫ 4đĽđđĽ = 2đĽ 2 . However, the differential coefficient of 2đĽ 2 + 7 is also 4x. Hence∫ 4đĽđđĽ is also equal to 2đĽ 2 + 7. To allow for the possible presence of a constant, whenever the process of integration is performed, a constant ‘c’ is added to the result. Thus ∫ 4đĽ đđĽ = 2đĽ 2 + đ and ∫ 2đĄ đđĄ = đĄ 2 + đ ‘c’ is called the arbitrary constant of integration. 3 The general solution of integrals of the form đđđ The general solution of integrals of the form ∫ đđĽ đ đđĽ where a and n are constants is given by: ∫ đđđ đ đ = đ đđ+đ +đ đ+đ This rule is true when n is fractional, zero, or a positive or negative integer, with the exception of đ = −1. Using this rule gives: 3đĽ 4+1 đ (i) ∫ 3đĽ 4 đđĽ = (ii) ∫ đĽ 2 đđĽ = ∫ 2đĽ −2 đđĽ = (iii) ∫ √đĽ đđĽ = ∫ đĽ 2 đđĽ = 4+1 + đ = đ đđ + đ 2 1 2đĽ −2+1 1 đĽ2 −2+1 +đ = −1 +đ = −đ đ + đ, and 3 +1 1 +1 2 2đĽ −1 +đ = đĽ2 3 2 đ + đ = đ √đđ + đ Each of these three results may be checked by differentiation. (a) The integral of a constant k is đđĽ + đ. For example, ∫ 8 đđĽ = đđ + đ (b) When a sum of several terms is integrated the result is the sum of the integrals of the separate terms. For example, ∫(3đĽ + 2đĽ 2 − 5) đđĽ = ∫ 3đĽ đđĽ + ∫ 2đĽ 2 đđĽ − ∫ 5 đđĽ = đđđ đđđ + − đđ + đ đ đ Standard integrals Since integration is the reverse process of differentiation the standard integrals listed in the table below may be deduced and readily checked by differentiation. 4 Table 1: Standard integrals đđĽ đ+1 (ii) ∫ đđĽ đ đđĽ = đ+1 + đ (đđĽđđđđĄ đ¤âđđ đ = −1) 1 ∫ cos đđĽ đđĽ = đ sin đđĽ + đ (iii) ∫ sin đđĽ đđĽ = − đ cos đđĽ + đ (iv) ∫ đ đđ 2 đđĽ đđĽ = đ tan đđĽ + đ (v) ∫ đđđ đđ 2 đđĽ đđĽ = − đ cot đđĽ + đ (vi) ∫ sec đđĽđĄđđ đđĽ đđĽ = đ sec đđĽ + đ (vii) ∫ đđđ đđ đđĽđđđĄ đđĽ đđĽ = − đ đđđ đđ đđĽ + đ (i) 1 1 1 1 1 1 (viii) ∫ đ đđĽ đđĽ = đ đ đđĽ + đ 1 (ix) ∫ đĽ đđĽ = ln đĽ + đ (x) ∫ tan đđĽ đđĽ = đ ln|sec đđĽ| + đ (xi) ∫ cot đđĽ đđĽ = đ ln|sin đđĽ| + đ (xii) ∫ sec đđĽ đđĽ = đ ln|sec đđĽ + tan đđĽ| + đ 1 1 1 1 (xiii) ∫ cosec đđĽ đđĽ = − đ ln|cosec đđĽ + cot đđĽ| + đ 1 đĽ (xiv) ∫ √(đ2 −đĽ 2 ) đđĽ = đ đđ−1 đ + đ (xv) ∫ (đđ +đđ ) đđĽ = đ đĄđđ−1 đ + đ đ 1 đĽ Example 1. Determine (a) ∫ 5đĽ 2 đđĽ (đ) ∫ 2đĄ 3 đđĄ. The standard integral, ∫ đđĽ đ đđĽ = đđĽ đ+1 đ+1 +đ (a) When a = 5 and n = 2 then 5đĽ 2+1 đđđ ∫ 5đĽ đđĽ = +đ = +đ 2+1 đ 2 (b) When a = 2 and n = 3 then 2đĄ 3+1 2đĄ 4 đ ∫ 2đĄ đđĄ = +đ = + đ = đđ + đ 3+1 4 đ 3 Each of these results may be checked by differentiating them. 3 Example 2. Determine ∫ (4 + 7 đĽ − 6đĽ 2 ) đđĽ. 5 3 3 ∫ (4 + 7 đĽ − 6đĽ 2 ) đđĽ may be written as ∫ 4 đđĽ + ∫ 7 đĽ đđĽ − ∫ 6đĽ 2 đđĽ, i.e. each term is integrated separately. (This splitting up of terms only applies, however, for addition and subtraction.) 3 đĽ 1+1 3 Hence ∫ (4 + 7 đĽ − 6đĽ 2 ) đđĽ = 4đĽ + (7) 1+1 = đđ + đĽ 2+1 3 đĽ2 − (6) 2+1 + đ = 4đĽ + (7) 3 − (6) đĽ3 3 +đ đ đ đ − đđđ + đ đđ Note that when an integral contains more than one term there is no need to have an arbitrary constant for each; just a single constant at the end is sufficient. Example3. Determine (đ) ∫ 2đĽ 3 −3đĽ 4đĽ đđĽ (đ) ∫(1 − đĄ)2 đđĄ. (a) Rearranging into standard integral form gives: ∫ 2đĽ 3 − 3đĽ 2đĽ 3 3đĽ đĽ2 3 1 đĽ 2+1 3 đđĽ = ∫( − ) đđĽ = ∫( − ) đđĽ = ( ) − đĽ+đ 4đĽ 4đĽ 4đĽ 2 4 2 2+1 4 1 đĽ3 3 đ đ = ( ) − đĽ + đ = đđ − đ + đ 2 3 4 đ đ (b) Rearranging ∫(1 − đĄ)2 đđĄ gives: ∫(1 − 2đĄ + đĄ 2 ) đđĄ = đĄ − 2đĄ1+1 đĄ 2+1 2đĄ 2 đĄ 3 + +đ =đĄ− + +đ 1+1 2+1 2 3 đ = đ − đđ + đ đ + đ đ This problem shows that functions often have to be rearranged into the standard form of ∫ đđĽ đ đđĽ before it is possible to integrate them. Example 4. Determine∫ 3 đĽ2 đđĽ. ∫ 3 đđĽ = ∫ 3đĽ −2 đđĽ. đĽ2 Using the standard integral, ∫ đđĽ đ đđĽ when a = 3 and n = – 2 gives: ∫ 3đĽ −2 đđĽ = 3đĽ −2+1 −đ + đ = −3đĽ −1 + đ = +đ −2 + 1 đ 6 Example 5. Determine ∫ 3√đĽ đđĽ. đ đ For fractional powers it is necessary to appreciate √đđ = đ đ 1 ∫ 3√đĽ đđĽ = 1 ∫ 3đĽ 2 đđĽ 3 3 3đĽ 2+1 3đĽ 2 = +đ = + đ = 2đĽ 2 + đ 1 3 2+1 2 = đ√đđ + đ Example 6. Determine ∫ −5 4 9 √đĄ 3 đđĄ. 3 1 −5 −3 5 đĄ −4+1 5 đĄ4 4 ∫ 4 đđĄ = ∫ 3 đđĄ = ∫ đĄ đđĄ = (− ) + đ = (− ) + đ 9 9 −3 + 1 9 1 9√đĄ 3 9đĄ 4 4 4 5 4 1 đđ đ = (− ) ( ) đĄ 4 + đ = − √đ + đ 9 1 đ −5 −5 Example 7. Determine ∫ ∫ (1 + đ)2 √đ đđ = ∫ √đ đđ. (1 + 2đ + đ 2 ) √đ = ∫(đ 1 (1+đ)2 − 1 2 + 1 2đ 2 3 + đđ = ∫( 3 đ 2 )đđ 1 2đ đ2 đ2 1+ 1 đ (−2)+1 1 + đ2 1 1 1 − 1− 2− 2 + 2đ 2 + đ 2 )đđ 1 ) đđ = ∫(đ đ2 1 3 2đ (2)+1 đ (2)+1 = + + +đ 1 1 3 −2 + 1 + 1 + 1 2 2 5 1 đ 2 2đ 2 đ 2 4 3 2 5 đ đ = + + + đ = 2đ 2 + đ 2 + đ 2 + đ = đ√đ˝ + √đ˝đ + √đ˝đ + đ 1 3 5 3 5 đ đ 2 2 2 Example 8. Determine (đ) ∫ 4 cos 3đĽ đđĽ (đ) ∫ 5 sin 2đ đđ. (a) From the table of standard integrals, 1 đ ∫ 4 cos 4đĽ đđĽ = (4) ( ) sin 3đĽ + đ = đŹđ˘đ§ đđ + đ 3 đ (b) From the table of standard integrals, 1 đ ∫ 5 sin 2đ đđ = (5) (− ) cos 2đ + đ = − đđđ đđ˝ + đ 2 đ Example 9. Determine (đ) ∫ 7 đ đđ 2 4đĄ đđĄ (đ) 3 ∫ đđđ đđ 2 2đ đđ. 7 (a) From the table of standard integrals, 1 đ ∫ 7 đ đđ 2 4đĄ đđĄ = (7) ( ) tan 4đĄ + đ = đđđ§ đđ + đ 4 đ (b) From the table of standard integrals, 1 đ 3 ∫ đđđ đđ 2 2đ đđ = (3) (− ) cot 2đ + đ = − đđ¨đ đđ˝ + đ 2 đ 2 Example 10. Determine (đ) ∫ 5đ 3đĽ đđĽ (đ) ∫ 3đ 4đĄ đđĄ. (a) From the table of standard integrals, 1 đ ∫ 5đ 3đĽ đđĽ = (5) ( ) đ 3đĽ + đ = đđđ + đ 3 đ 2 2 2 1 1 đ (b) ∫ 3đ 4đĄ đđĄ = ∫ 3 đ −4đĄ đđĄ = (3) (− 4) đ −4đĄ + đ = − 6 đ −4đĄ + đ = − đđđđ + đ 3 Example 11. Determine (đ) ∫ 5đĽ đđĽ (đ) ∫( 3 3 1 2đ2 +1 ) đđ. đ đ (a) ∫ 5đĽ đđĽ = ∫ (5) (đĽ) đđĽ = đ đĽđ§ đ + đ (From the table of standard integrals) (b) ∫( 2đ2 +1 2đ2 đ đ ) đđ = ∫( 1 1 + đ) đđ = ∫(2đ + đ) đđ = 2đ2 2 + ln đ + đ = đđ + đĽđ§ đ + đ The Fundamental Theorem of Calculus The fundamental theorem of calculus reduces the problem of integration to anti-differentiation, i.e., finding a function đš such thatđš ′ = đ. Statement of the Fundamental Theorem Theorem - Fundamental Theorem of Calculus: Suppose that the function F is differentiable đ everywhere on [a, b] and that đš′ is integrable on [a, b]. Then ∫đ đš ′ (đĽ) đđĽ = đš(đ) − đš(đ). In other words, if đ is integrable on [a, bJ and F is an antiderivative for đ, i.e., if đš ′ = đ, then đ ∫đ đ(đĽ) đđĽ = đš(đ) − đš(đ). This theorem makes it easy to evaluate integrals. Examples đ 1. Using the fundamental theorem of calculus, compute∫đ đĽ 2 đđĽ. 8 Solution We begin by finding an antiderivative F(x) for đ(đĽ) = đĽ 2 ; from the power rule, we 1 may take đš(đĽ) = 3 đĽ 3 . Now, by the fundamental theorem, we have đ đ 1 1 ∫đ đĽ 2 đđĽ = ∫đ đ(đĽ) đđĽ = đš(đ) − đš(đ) = 3 đ 3 − 3 đ3 đ 1 1 We conclude that ∫đ đĽ 2 đđĽ = 3 đ 3 − 3 đ3 . Expressions of the form F(b) - F(a) occur so often that it is useful to have a special notation for đ them: đš(đĽ)| means F(b) - F(a). One also writes đš(đĽ) = ∫ đ(đĽ) đđĽ for the antiderivative (also đ called an indefinite integral). In terms of this notation, we can write the formula of the fundamental theorem of calculus in the form: đ đ đ đ ∫ đ(đĽ) đđĽ = đš(đĽ)| đđ ∫ đ(đĽ) đđĽ = (∫ đ(đĽ) đđĽ)| đ đ đ đ where F is an antiderivative of đon [a. b] . 6 2. Find ∫2 (đĽ 2 + 1)đđĽ. 1 Solution By the sum and power rules for anti-derivatives, an anti-derivative for đĽ 2 + 1 is 3 đĽ 3 + 6 1 23 6 63 đĽ. By the fundamental theorem∫2 (đĽ 2 + 1)đđĽ = ( đĽ 3 + đĽ)| = + 6 − ( + 2) 3 3 2 3 2 1 = 78 − 4 3 = 73 3 Exercises 1 1. Evaluate ∫0 đĽ 4 đđĽ. 3 2. Find ∫0 (đĽ 2 + 3đĽ) đđĽ. 1 3. Find ∫−1(đĄ 4 + đĄ 9 ) đđĄ. 10 đĄ 4 4. Find∫0 100 − đĄ 2 ) đđĄ. Definite integrals Integrals containing an arbitrary constant c in their results are called indefinite integrals since their precise value cannot be determined without further information. Definite integrals are 9 đ those in which limits are applied. If an expression is written as [đ] , ‘b’ is called the upper limit đ and ‘a’ the lower limit. đ The operation of applying the limits is defined as[đ] = (b) − (a). đ 3 The increase in the value of the integral đĽ 2 as x increases from 1 to 3 is written as∫1 đĽ 2 đđĽ. Applying the limits gives: 3 đĽ3 33 13 1 đ 3 ∫ đĽ 2 đđĽ = [ + đ] = ( + đ) − ( + đ) = (9 + đ) − ( + đ) = đ 1 3 3 3 3 đ 1 Note that the ‘c’ term always cancels out when limits are applied and it need not be shown with definite integrals. Examples 1. Evaluate 2 3 2 3đĽ 2 (a) ∫1 3đĽ đđĽ (đ) ∫−2(4 − đĽ 2 )đđĽ. (a) ∫1 3đĽ đđĽ = [ 2 3 3 1 đ 2 ] = {2 (2)2 } − {2 (1)2 } = 6 − 1 2 = đ đ 1 đĽ3 3 (b) ∫−2(4 − đĽ 2 )đđĽ = [4đĽ − ] 3 (−2)3 33 3 = {4(3) − 3 } − {4(−2) − 3 } −2 = {12 − 9}— {−8 − 4 đ+2 2. Evaluate ∫1 4 đ+2 ∫1 √đ đđ = √đ 4 đ ∫1 ( 1 đ2 2 [ √đ 3 + 4√đ] 3 4 đ đđ = ∫1 ( + 2 1 đ2 √đ + ) đđ = 2 √đ −8 1 đ } = {3} − {−5 } = đ 3 3 đ ), taking positive square roots only. 1 4 ∫1 (đ 2 − 1 ( +1) đ 2 1 2 + 2đ ) đđ = [ 1 +1 2 + −1 ( )+1 2đ 2 −1 +1 2 4 1 2 2 = [3 √43 + 4√4] − [3 √(1)3 + 4√1] ={ 16 2 1 2 đ + 8} − { + 4} = 5 + 8 − − 4 = đ 3 3 3 3 đ đ 3. Evaluate ∫02 3 sin 2đĽ đđĽ. 10 3 đ2 4 ] =[3 + 1 2 1 2đ2 1 2 4 ] = 1 đ 2 1 đ đ 3 3 đ 3 ∫0 3 sin 2đĽ đđĽ = [(3) (− 2) cos 2đĽ] 2 =[− 2 cos 2đĽ] 2 ={− 2 cos 2( 2 )} − {− 2 cos 0} = 0 0 3 3 3 3 3 3 {− 2 cos đ} − {− 2 cos 0} = {− 2 (−1)} − {− 2 (1)} = 2 + 2 = đ 2 4. Evaluate ∫1 4 cos 3đĄ đđĄ. 2 1 4 4 4 2 2 ∫ 4 cos 3đĄ đđĄ = [4( )sin 3đĄ] = [ sin 3đĄ] = { sin 6} − { sin 3} 1 1 3 3 3 3 1 Note that limits of trigonometric functions are always expressed in radians—thus, for example, sin 6 means the sine of 6 radians = −0.279415... 2 4 4 Hence ∫1 4 cos 3đĄ đđĄ = {3 (−0.279415} − {3 (0.141120)} = (−0.37255) − (0.18816) = −đ. đđđđ 5. Evaluate 2 4 3 (a) ∫1 4đ 2đĽ đđĽ (đ) ∫1 4đ˘ đđ˘, each correct to 4 significant figures. 2 4 2 2 (a) ∫1 4đ 2đĽ đđĽ = [2 đ 2đĽ ] = [2đ 2đĽ ] = 2(đ 4 − đ 2 ) = 2(54.5982 − 7.3891) = đđ. đđ 1 1 3 3 4 3 (1.3863 − 0) = đ. đđđ đđ˘ = [ ln đ˘] = (ln 4 − ln 1) = 4đ˘ 4 4 1 4 4 3 (b) ∫1 Techniques of integration Integration is a reverse of the process of differentiation. Given a derived function đđŚ = đ(đĽ) đđĽ đđŚ = đ(đĽ)đđĽ Integrating both sides, ∫ đđŚ = ∫ đ(đĽ) đđĽ đŚ(đĽ) = ∫ đ(đĽ) đđĽ + đ Functions which require integrating are not always in the ‘standard form’ shown in Table 1. However, it is often possible to change a function into a form which can be integrated by using either: (i) an algebraic substitution, 11 (ii) a trigonometric or hyperbolic substitution, (iii) partial fractions, (iv) the t = tanθ/2 substitution, (v) integration by parts, or (vi) reduction formulae. Power rule ∫ đđĽ đ đđĽ = đđĽ đ+1 đ+1 + đ, đ being a constant. Examples 1.∫ đĽ 6 −2đĽ+4 đĽ4 2.∫(√đĽ − đđĽ = ∫(đĽ 2 − 2đĽ −3 + 4đĽ −4 ) đđĽ = 4 3 √đĽ 5 ) đđĽ 1 2 đĽ3 3 − 1 5 4 = ∫(đĽ − 3đĽ ) đđĽ = 1 đĽ 2 1 1 2 2đĽ −2 −2 + 4đĽ −5 −5 9 − 3đĽ 4 9 4 đ đ +đ = đ đđ đ đ + đ−đ − đ đ−đ + đ đ + đ = đ đđ − đ đđ + đ Exercise 1.∫(đĽ 3 + 3)2 đđĽ 3 2.( √đĽ−6√đĽ 3 +1 )đđĽ đĽ3 Substitution Technique In this method, the substitution usually made is to let u be equal to some function f(x) such that the integrand is reduced to a standard integral. It is found that integrals of the forms, đ ′ (đĽ) đ ∫[đ(đĽ)] đ (đĽ) đđĽ đđđ đ ∫ đđĽ [đ(đĽ)]đ đ ′ (where k and n are constants) can both be integrated by substituting u for f(x). Examples on integration using substitution 1. Determine ∫ cos(3x + 7) đđĽ. 12 ∫ cos(3x + 7) đđĽ is not a standard integral of the form shown in Table 1, thus an algebraic substitution is made. đđ˘ Let u=3x+7 then đđĽ = 3 and rearranging gives đđĽ = ∫ cos(3x + 7) đđĽ = ∫ (cos đ˘) đđ˘ 3 đđ˘ 3 . Hence, 1 = ∫ 3 cos đ˘ đđ˘, which is a standard integral 1 = 3 sin đ˘ + đ Rewriting u as (3x+7) gives: ∫ cos(3x + 7) đđĽ = đ đŹđ˘đ§(đđ + đ) + đ, đ which may be checked by differentiating it. 2. Determine ∫ x cos(3x 2 − 4) đđĽ. Let đ˘ = 3x 2 − 4 then du dx = 6x and dx = du 6x du 1 1 đ Hence ∫ x cos(3x 2 − 4) đđĽ = ∫ đĽđđđ đ˘ 6x = 6 ∫ cos u du = 6 sin u + c = đ đŹđ˘đ§(đđą đ − đ) + đ Practice Determine (đ) ∫ cos(4x + 5) đđĽ (đ) ∫(đĽ 2 + 1) cos(3đĽ 3 + 9đĽ − 5) đđĽ (đťđđđĄ: đđđĄ đ˘ = 3đĽ 3 + 9đĽ − 5) (c) ∫ cos √đĽ √đĽ đđĽ (đżđđĄ đ˘ = √đĽ) (đ) ∫ đ −3đĽ cos(4 + đ −3đĽ ) đđĽ (đżđđĄ đ˘ = 4 + đ −3đĽ ) 3.Determine ∫ sin 6đĽ đđĽ. đđ˘ Let u = 6x, then đđĽ = 6 đđđ đđĽ = Thus ∫ sin 6đĽ đđĽ = ∫ sin đ˘ đđ˘ 6 đđ˘ 6 1 1 4. Determine ∫ đĽđ đđ (6 − 3đĽ 2 ) đđĽ. đđ˘ đ = 6 ∫ sin đ˘ đđ˘ = − 6 cos đ˘ + đ = − đ đđ¨đŹ đđ + đ đđ˘ Let u = 6 − 3đĽ 2 , then đđĽ = −6đĽ đđđ đđĽ = −6đĽ 13 đđ˘ 1 Hence ∫ đĽđ đđ (6 − 3đĽ 2 ) đđĽ = ∫ đĽđ đđ đ˘ −6đĽ = 6 ∫ −sin đ˘ đđ˘ = 1 đ cos đ˘ + đ = đđ¨đŹ(đ − đđđ ) + đ 6 đ Practice Determine (đ) ∫(đđĽ + 1) sin(đđĽ 2 + 2đĽ − 5) đđĽ (đżđđĄ đ˘ = đđĽ 2 + 2đĽ − 5) (b) ∫(đĽ 2 + 1) sin(đĽ 3 + 3đĽ − 5) đđĽ (đżđđĄ đ˘ = đĽ 3 + 3đĽ − 5) (c) ∫ đ 2đĽ sin(5 − đ 2đĽ ) đđĽ (đżđđĄ đ˘ = 5 − đ 2đĽ ) 5. Find ∫ đĽ(1 + 3đĽ)5 đđĽ. Let đ˘ = 1 + 3𼠅 (đ) đđ˘ đđ˘ = 3, âđđđđ = đđĽ đđĽ 3 Substituting into the question, ∫ đĽ(1 + 3đĽ)5 đđĽ = ∫ đĽ(đ˘)5 đđ˘ 3 1 đđ˘ = ∫ 3 đĽđ˘5 đđ˘ From equation (a), đ˘ = 1 + 3đĽ; Thus đĽ = đ˘−1 3 1 1 đ˘−1 đđđ âđđđđ ∫ 3 đĽđ˘5 đđ˘ = ∫ 3 ( 3 1 đ˘6 ) đ˘5 đđ˘ = ∫ 3 ( 3 − đ˘5 3 ) đđ˘ 1 1 đ˘7 1 đ˘6 1 1 1 = { ( ) − ( )} + đ = { (1 + 3đĽ)7 − (1 + 3đĽ)6 } + đ 3 3 7 3 6 3 21 18 = đ đ (đ + đđ)đ − (đ + đđ)đ + đ đđ đđ Practice Find ∫ đĽ√2đĽ + 1 đđĽ 6.Find ∫(2đĽ − 5)7 đđĽ. (2x−5) may be multiplied by itself 7 times and then each term of the result integrated. However, this would be a lengthy process, and thus an algebraic substitution is made. đđ˘ Let u = (2x−5) then đđĽ = 2 đđđ đđĽ = đđ˘ 2 14 Hence∫(2đĽ − 5)7 đđĽ = ∫ đ˘7 đđ˘ 2 1 đ˘8 1 1 = 2 ∫ đ˘7 đđ˘ = 2 ( 8 ) + đ = 16 đ˘8 + đ Rewriting u as (2x−5) gives: ∫(2đĽ − 5)7 đđĽ = đ (đđ − đ)đ + đ đđ 4 7.Find ∫ (5đĽ−3) đđĽ. đđ˘ Let u = 5x – 3, then đđĽ = 5 đđđ đđĽ = 4 4 đđ˘ Hence ∫ (5đĽ−3) đđĽ = ∫ đ˘ 5 4 đđ˘ 1 5 4 đ = 5 ∫ đ˘ đđ˘ = 5 ln đ˘ + đ = đ đĽđ§(đđ − đ) + đ Practice đĽ (i) Determine (đ) ∫ 2+3đĽ 2 đđĽ (đżđđĄ đ˘ = 2 + 3đĽ 2 ) (đ) ∫ 2đĽ √(4đĽ 2 −1) đđĽ (đżđđĄ đ˘ = 4đĽ 2 − 1) đ đ đ´đđ đ¤đđ: đĽđ§(đ + đđđ ) + đ ; √(đđđ − đ) + đ đ đ đĽ3 đĽ+1 (ii) Determine (đ) ∫ 5+đĽ 4 đđĽ (đżđđĄ đ˘ = 5 + đĽ 4 ) (đ) ∫ đĽ 2 +2đĽ−5 đđĽ(đżđđĄ đ˘ = đĽ 2 + 2đĽ − 5) đ 3đĽ đĽ (c) ∫ 1−3đĽ 2 đđĽ (đđđĄ đ˘ = 1 − 3đĽ 2 ) (d) ∫ 2+đ 3đĽ đđĽ(đťđđđĄ: đđđĄ đ˘ = 2 + đ 3đĽ ) đ đđ 2 2đĽ cos 3đĽ (e) ∫ 1+sin 3đĽ đđĽ (đťđđđĄ: đđđĄ đ˘ = 1 + sin 3đĽ) (đ) ∫ 1+tan 2đĽ đđĽ (đťđđđĄ: đđđĄ đ˘ = 1 + tan 2đĽ) 1 8.Evaluate ∫0 2đ 6đĽ−1 đđĽ, correct to 4 significant figures. đđ˘ Let u = 6x−1 then đđĽ = 6 đđđ đđĽ = Hence ∫ 2đ 6đĽ−1 đđĽ = ∫ 2đ đ˘ đđ˘ 6 1 đđ˘ 6 1 1 = ∫ đ đ˘ đđ˘ = đ đ˘ + đ = đ 6đĽ−1 + đ 3 3 3 Thus 1 1 1 1 ∫0 2đ 6đĽ−1 đđĽ = 3 [đ 6đĽ−1 ] = 3 [đ 5 − đ −1 ] = đđ. đđ, 0 correct to 4 significant figures. Practice 15 Determine (đ) ∫ đ 3đĽ đđĽ (đ) ∫ đĽ 2 đ 2đĽ 3 −4 đđĽ (đťđđđĄ: đżđđĄ đ˘ = 2đĽ 3 − 4) (đ) ∫ cos 4đĽđ sin 4đĽ đđĽ (đťđđđĄ: đżđđĄ đ˘ = sin 4đĽ) 9. Determine ∫ 3đĽ(4đĽ 2 + 3)5 đđĽ. đđ˘ Let u = (4đĽ 2 + 3) then đđĽ = 8đĽ đđđ đđĽ = đđ˘ 8đĽ Hence đđ˘ 3 ∫ 3đĽ(4đĽ 2 + 3)5 đđĽ = ∫ 3đĽ(đ˘)5 8đĽ = 8 ∫ đ˘5 đđ˘, by cancelling x. The original variable ‘x’ has been completely removed and the integral is now only in terms of u and is a standard integral. 3 đ˘6 3 1 đ Hence 8 ∫ đ˘5 đđ˘ = 8 ( 6 ) + đ = 16 đ˘6 + đ = đđ (đđđ + đ)đ + đ Practice đĽ+1 Determine (đ) ∫ đĽ 2 (1 + 4đĽ 3 )3 đđĽ (đ) ∫ √2đĽ 2 +4đĽ−1 đđĽ (đťđđđĄ: đżđđĄ đ˘ = 2đĽ 2 + 4đĽ − 1) đ 10. Evaluate ∫06 24 đ đđ5 đ cos đ đđ. đđ˘ đđ˘ Let u = sinθ then đđ = cos đ đđđ đđ = cos đ đđ˘ Hence ∫ 24 đ đđ5 đ cos đ đđ = ∫ 24đ˘5 cos đ cos đ = ∫ 24đ˘5 đđ˘ = 24 đ˘6 6 + đ = 4đ˘6 + đ = 4đ đđ6 đ + đ đ đ đ 6 1 6 Thus ∫06 24 đ đđ5 đ cos đ đđ = [4đ đđ6 đ] 6 = 4 {(sin 6 ) − (sin 0)6 } = 4 [(2) − 0] 0 = đ đđ đ. đđđđ đđ 11. Evaluate ∫ đ đđ 2 (7đĽ − 1) đđĽ đđ˘ Let u = 7x – 1, then đđĽ = 7 đđđ đđĽ = đđ˘ 7 16 ∫ đ đđ 2 (7đĽ − 1) đđĽ = ∫ đ đđ 2 đ˘ đđ˘ 1 1 đ = ∫ đ đđ 2 đ˘đđ˘ = tan đ˘ + đ = đđđ§(đđ − đ) + đ 7 7 7 đ Practice Determine ∫ đ đđ 2 (√đĽ) √đĽ đđĽ (đżđđĄ đ˘ = √đĽ) đ´đđ đ¤đđ: đ đđđ§ √đ + đ 12. Evaluate ∫ đĽ 2 đđđ đđ 2 (1 − 3đĽ 3 ) đđĽ đżđđĄ đ˘ = 1 − 3đĽ 3 , đĄâđđ đđ˘ đđ˘ = −9đĽ 2 đđđ đđĽ = đđĽ −9đĽ 2 đđ˘ 1 1 Hence ∫ đĽ 2 đđđ đđ 2 (1 − 3đĽ 3 ) đđĽ = ∫ đĽ 2 đđđ đđ 2 đ˘( −9đĽ 2 ) = − 9 ∫ đđđ đđ 2 đ˘ đđ˘ = 9 cot đ˘ + đ đ = đ đđ¨đ(đ − đđđ ) + đ Practice Evaluate (đ) ∫ đđđ đđ 2 (4đĽ) đđĽ (đ) ∫ đđđ đđ 2 (√đĽ) √đĽ đđĽ (đżđđĄ đ˘ = √đĽ) (đ) ∫(đĽ + 1)đđđ đđ 2 (2đĽ 2 + 4đĽ − 5) đđĽ(đżđđĄ đ˘ = 2đĽ 2 + 4đĽ − 5) 13(a).Show that ∫ tan đ đđ = ln(sec đ) + đ ∫ tan đ đđ = ∫ đżđđĄ đ˘ = cos đ , đĄâđđ sin đ Hence ∫ cos đ đđ = ∫ sin đ đ˘ đđ˘ (− sin đ) = − ∫ 1 đđ˘ đđ˘ = − sin đ đđđ đđ = đđ − sin đ đđ˘ đ˘ sin đ đđ cos đ = − ln đ˘ + đ = − ln(cos đ) + đ = 0 − ln(cos đ) + đ = ln 1 − ln(cos đ) + đ = ln(cos đ) + đ Hence ∫ đđđ§ đ˝ đ đ˝ = đĽđ§|đđđ đ˝| + đ Practice Evaluate the indefinite integrals: i.∫ tan(5đĽ − 2) đđĽ, 17 ii.∫ đĽ 2 tan(5 − đĽ 3 ) đđĽ, iii,∫(đĽ 2 − 1) tan(3đĽ 3 − 9đĽ − 7) đđĽ, iv.∫ tan √đĽ √đĽ đđĽ. 13(b) Show that ∫ cot đ đđ = ln|sin đ| + đ Practice Evaluate the indefinite integrals: i.∫ cot(5đĽ) đđĽ, ii.∫ đĽ 2 tan(2 − đĽ) đđĽ, iii,∫(đĽ − 1) tan(đĽ 2 − 2đĽ − 1) đđĽ, iv.∫ cot √đĽ √đĽ đđĽ. 14(a) Show that ∫ sec đĽ đđĽ = ln|sec đĽ + tan đĽ| + đ. Multiply through the numerator and denominator by (sec đĽ + tan đĽ). Thus ∫ sec đĽ đđĽ = ∫ sec đĽ.(sec đĽ+tan đĽ) sec đĽ+tan đĽ đđĽ….(i) Let u = sec đĽ + tan 𼠅.(ii) đđ˘ = sec đĽ tan đĽ + đ đđ 2 đĽ đđĽ đđ˘ sec đĽ tan đĽ+đ đđ 2 đĽ = đ𼠅..(iii) Substituting (ii) and (iii) in (i), ∫ sec đĽ đđĽ = ∫ sec đĽ. (sec đĽ + tan đĽ) đđ˘ 1 = ∫ đđ˘ = ln|đ˘| + đ 2 đ˘ sec đĽ tan đĽ + đ đđ đĽ đ˘ Therefore, ∫ sec đĽ đđĽ = ln|sec đĽ + tan đĽ| + đ. Practice Evaluate the indefinite integrals: 18 1 i.∫ 2đĽ sec(4đĽ 2 + 5) đđĽ, đ´đđ 4 ln|sec(4đĽ 2 + 5) + tan(4đĽ 2 + 5)| + đ ii.∫ 2đĽ 2 sec(4đđĽ 3 + 6) đđĽ. đ´đđ 1 6π ln|sec(4đđĽ 3 + 6) + tan(4đđĽ 3 + 6)| + đ 14(b) Show that ∫ cosec đĽ đđĽ = − ln|cosec đĽ + cot đĽ| + đ. Multiply through the numerator and denominator by (cosec đĽ + cot đĽ). Thus ∫ cosec đĽ đđĽ = ∫ cosec đĽ (cosec đĽ+cot đĽ.) cosec đĽ+cot đĽ đđĽ….(i) Let u = (cosec đĽ + cot đĽ) ….(ii) đđ˘ = − cosec đĽ cot đĽ − đđđ đđ 2 đĽ đđĽ đđ˘ −cosec đĽ cot đĽ−đđđ đđ 2 đĽ = đ𼠅..(iii) Substituting (ii) and (iii) in (i), ∫ cosec đĽ đđĽ = ∫ cosec đĽ. (cosec đĽ + cot đĽ) đđ˘ 1 = ∫ − đđ˘ 2 đ˘ −cosec đĽ cot đĽ − đđđ đđ đĽ đ˘ 1 = − ∫ đđ˘ = −ln|đ˘| + đ đ˘ Therefore, ∫ cosec đĽ đđĽ = − ln|cosec đĽ + cot đĽ| + đ Practice Evaluate the indefinite integrals: i.∫ cosec(2đĽ + 3) đđĽ, ii.∫(đĽ + 2) cosec(đĽ 2 + 4đĽ − 3) đđĽ. Change of limits When evaluating definite integrals involving substitutions, it is sometimes more convenient to change the limits of the integral as shown in Problems 14 and 15 below. 3 15. Evaluate ∫1 5đĽ√(2đĽ 2 + 7)đđĽ, taking positive values of square roots only. 19 đżđđĄ đ˘ = 2đĽ 2 + 7, đĄâđđ đđ˘ đđ˘ = 4đĽ đđđ đđĽ = đđĽ 4đĽ It is possible in this case to change the limits of integration. Thus when x = 3, u = 2(3)2 + 7 = 25 and when x = 1,u = 2(1)2 + 7 = 9. 3 25 đđ˘ 5 25 5 25 1 Hence ∫1 5đĽ√(2đĽ 2 + 7)đđĽ = ∫9 5đĽ √đ˘ 4đĽ = 4 ∫9 √đ˘ đđ˘ = 4 ∫9 đ˘2 đđ˘ Thus the limits have been changed, and it is unnecessary to change the integral back in terms of x. 3 Thus 3 ∫1 5đĽ√(2đĽ 2 2 16. Evaluate ∫0 5 đ˘2 + 7)đđĽ = 4 [ 3đĽ √(2đĽ 2 +1) Let đ˘ = 2đĽ 2 + 1, đĄâđđ 3 2 ] 5 đ 25 5 25 5 = 6 [√đ˘3 ] = 6 [√253 − √93 ] = 6 (125 − 27) = đđ đ 9 9 đđĽ, taking positive values of square roots only. đđ˘ đđĽ = 4đĽ đđđ đđĽ = đđ˘ 4đĽ When x = 2, u = 2(2)2 + 1 = 9 and when x = 0, u = 1. Thus 2 3đĽ ∫0 √(2đĽ 2 +1) đđĽ = 9 3đĽ đđ˘ ∫1 √đ˘ 4đĽ = 9 1 đđ˘ ∫ 1 4 √đ˘ 3 = 9 −1 đ˘ 2 đđ˘ ∫ 1 4 3 1 3 đ˘2 = 4[ 1 2 9 3 ] = 2 [√9 − √1] = đ, 1 taking positive values of square roots only. Powers of trigonometric functions Integrals Involving đđđđ đ˝, đđđđ đ˝. đđđđ đ˝ đđđ đđđđ đ˝ In such cases we use the identities: (đ)đđđ 2 đ = 1 (1 + cos 2đ) 2 (đ)đ đđ2 đ = 1 (1 − cos 2đ) 2 Notice that both are obtained by elimination from the trigonometric identities: (đ)đđđ 2 đ + đ đđ2 đ = 1 (đđ)đđđ 2 đ − đ đđ2 đ = cos 2đ 20 Since 1 + đĄđđ2 đ = đ đđ 2 đ đđđ đđđĄ 2 đ + 1 = đđđ đđ 2 đ, then: (đ)đĄđđ2 đ = đ đđ 2 đ − 1 (đ)đđđĄ 2 đ = đđđ đđ 2 đ − 1 Examples đ 1. Evaluate ∫04 2đđđ 2 4đĄ đđĄ. 1 1 đđđ 2 đ = (1 + cos 2đ) đđđ đđđ 2 4đĄ = (1 + cos 8đĄ) 2 2 đ 4 đ 1 4 2 Hence, ∫0 2đđđ 4đĄ đđĄ = 2 ∫0 2 (1 + cos 8đĄ)đđĄ = [đĄ + sin 8đĄ 8 đ đ đ ] 4 đđĄ = [ 4 + 0 đ 4 sin 8( ) sin 0 8 8 ] − [0 + đ Or 0.7854 2.Determine ∫ đđđ 4 2đĽ đđĽ. đ4 = (đ2 )2 1 Therefore đđđ 4 2đĽ = (đđđ 2 2đĽ)2 = [2 (1 + đđđ 4đĽ)] 2 Now, (đ + đ)2 = đ2 + 2đđ + đ 2 . 2 1 1 1 1 Thus, [2 (1 + đđđ 4đĽ)] = 4 (1 + 2đđđ 4đĽ + đđđ 2 4đĽ) = 4 {1 + 2đđđ 4đĽ + 2 (1 + cos 8đĽ)} 1 2 1 1 Therefore, ∫ đđđ 4 2đĽ đđĽ = 4 ∫ đđĽ + 4 ∫ cos 4đĽ đđĽ + 8 ∫ đđĽ + 8 ∫ cos 8đĽđđĽ = đĽ 1 1 1 1 1 đ đ đ + ( sin 4đĽ) + đĽ + ( sin 8đĽ) + đ = đ + đŹđ˘đ§ đđ + đŹđ˘đ§ đđ + đ 4 2 4 8 8 8 đ đ đđ Practice đ Evaluate ∫04 4đđđ 4 đđđ , correct to 4 significant figures. Answer 2.178 3. Determine ∫ đ đđ2 3đĽ đđĽ. đ đđ2 đ = 1 1 (1 − cos 2đ) đđđ đ đđ2 3đĽ = (1 − cos 6đĽ) 2 2 21 ]= 1 đ Hence, ∫ đ đđ2 3đĽ đđĽ = ∫ 2 (1 − cos 6đĽ) đđĽ = đ (đ − đŹđ˘đ§ đđ đ )+đ 4. Find ∫ 3đĄđđ2 4đĽ đđĽ. đĄđđ2 đ = đ đđ 2 đ − 1 tan 4đĽ Thus, ∫ 3đĄđđ2 4đĽ đđĽ = 3 ∫(đ đđ 2 4đĽ − 1) đđĽ = 3 ( đ 4 − đĽ) + đ = đ đđđ§ đđ đ − đđ + đ 1 5.Evaluate ∫đ3 2 đđđĄ 2 2đ đđ. 6 đđđĄ 2 đ = đđđ đđ 2 đ − 1 đ 31 đ 2 6 Hence, ∫ 1 đ 3 2 đ đ 3 đ 6 1 − cot 2đ 2 đđđĄ 2đ đđ = 2 ∫ (đđđ đđ 2đ − 1) đđ = 2 [ − cot 2( ) = 2 {( 1 2 đ − 3) − ( đ 6 − cot 2( ) 2 2 − đ] đ3 6 đ − 6 )} =[(0.2887−1.0472) − (−0.2887−0.5236)] = 0.0269 Exercise Evaluate the following integrals: 1.∫ đ đđ2 2đĽ đđĽ, 2.∫ 3đđđ 2 3đĽ đ, 3.∫ 5đĄđđ2 2đĄ đđĄ, đ 4.∫04 đđđ 2 4đĽ đđĽ, đ 3 đ 6 5.∫ đđđĄ 2 đ đđ. More examples on powers of sines and cosines 6. Determine ∫ đ đđ5 đ đđ. Since đđđ 2 đ + đ đđ2 đ = 1 then đ đđ2 đ = 1 − đđđ 2 đ. Hence∫ đ đđ5 đ đđ = ∫ sin đ(đ đđ2 đ)2 đđ = ∫ sin đ(1 − đđđ 2 đ)2 đđ 22 = ∫ sin đ(1 − 2đđđ 2 đ + đđđ 4 đ)đđ = ∫(sin đ − 2 sin đđđđ 2 đ + sin đđđđ 4 đ)đđ = − đđ¨đŹ đ˝ + đđđđđ đ˝ đđđđ đ˝ − +đ đ đ Whenever a power of a cosine is multiplied by a sine of power 1, or vice-versa, the integral may be determined by inspection as shown above. đđđđ+đ đ˝ In general, ∫ đđđ đ đ sin đ đđ = − đ+đ + đ đđđ ∫ đ đđđ đ cos đ đđ = đđđđ+đ đ˝ đ+đ + đ. đ 7. Evaluate ∫02 đ đđ2 đĽđđđ 3 đĽ đđĽ. đ 2 2 đ 2 3 đ 2 ∫ đ đđ đĽđđđ đĽ đđĽ = ∫ đ đđ đĽđđđ đĽđđđ đĽ đđĽ ∫ đ đđ2 đĽ(1 − đ đđ2 đĽ) cos đĽ đđĽ 0 2 2 0 =∫ đ 2 (đ đđ2 0 =[ 0 đ đ đđ3 đĽ đ đđ5 đĽ đĽđđđ đĽ − đ đđ đĽđđđ đĽ) đđĽ = [ − ]2 3 5 0 4 đ 3 (sin 2) 3 − đ 5 (sin 2) 5 ] − [0 − 0] = 1 1 đ − = 3 5 đđ Or 0.1333 8. Find ∫ đ đđ2 đĄđđđ 4 đĄ đđĄ. ∫ đ đđ2 đĄđđđ 4 đĄ đđĄ = ∫ đ đđ2 đĄ(đđđ 2 đĄ)2 đđĄ = ∫( = = 1 − cos 2đĄ 1 + cos 2đĄ 2 )( ) đđĄ 2 2 1 ∫(1 − cos 2đĄ)( 1 + 2 cos 2đĄ + đđđ 2 2đĄ) đđĄ 8 1 ∫(1 + 2 cos 2đĄ + đđđ 2 2đĄ − cos 2đĄ − 2đđđ 2 2đĄ − đđđ 3 2đĄ) đđĄ 8 1 = ∫(1 + cos 2đĄ − đđđ 2 2đĄ − đđđ 3 2đĄ) đđĄ 8 1 1 + cos 4đĄ = ∫(1 + cos 2đĄ − ( ) − cos 2đĄ(1 − đ đđ2 2đĄ) đđĄ 8 2 23 1 1 cos 4đĄ đ đ đŹđ˘đ§ đđ đđđđ đđ 2 = ∫( − + cos 2đĄđ đđ 2đĄ) đđĄ = ( − + )+đ 8 2 2 đ đ đ đ Exercise Integrate each of the following functions with respect to the variable 1.đ đđ3 đ 2.2đđđ 3 2đĽ 3.2đ đđ3 đĄđđđ 3 đĄ 4. đ đđ3 đĽđđđ 2 đĽ Products of sines and cosines sin(đ´ + đľ) = sin đ´ cos đľ + cos đ´ sin đľ … . (1) sin(đ´ − đľ) = sin đ´ cos đľ − cos đ´ sin đľ … . (2) đ Adding (1) and (2) gives đŹđ˘đ§ đ¨ đđ¨đŹ đŠ = đ [đŹđ˘đ§(đ¨ + đŠ) + đŹđ˘đ§(đ¨ − đŠ)]. đ Subtracting (2) from (1) givesđđ¨đŹ đ¨ đŹđ˘đ§ đŠ = đ [đŹđ˘đ§(đ¨ + đŠ) − đŹđ˘đ§(đ¨ − đŠ)]. Thus a product of sine and cosine can be replaced by the respective right hand side. Similarly, cos(đ´ + đľ) = cos đ´ cos đľ − sin đ´ sin đľ … . (3) cos(đ´ − đľ) = cos đ´ cos đľ + sin đ´ sin đľ … . (4) đ Adding (3) and (4) gives đđ¨đŹ đ¨ đđ¨đŹ đŠ = đ [đđ¨đŹ(đ¨ + đŠ) + đđ¨đŹ(đ¨ − đŠ)], thus a product of cosines can be replaced by the right hand side. đ Subtracting (4) from (3) gives đŹđ˘đ§ đ¨ đŹđ˘đ§ đŠ = − đ [đđ¨đŹ(đ¨ + đŠ) − đđ¨đŹ(đ¨ − đŠ)], thus a product of sines can be replaced by the right hand side. Examples 1.Determine ∫ sin 3đĄ cos 2đĄ đđĄ. 24 1 1 ∫ sin 3đĄ cos 2đĄ đđĄ = ∫ [sin(3đĄ + 2đĄ) + sin(3đĄ − 2đĄ)] đđĄ = ∫ (sin 5đĄ + sin đĄ) đđĄ 2 2 = đ − đđ¨đŹ đđ ( − đđ¨đŹ đ) + đ đ đ 1 2.Find∫ 3 (cos 5đĽ sin 2đĽ) đđĽ. 1 1 1 1 ∫ (cos 5đĽ sin 2đĽ) đđĽ = ∫ [sin(5đĽ + 2đĽ) − sin(5đĽ − 2đĽ)] đđĽ = ∫ (sin 7đĽ − sin 3đĽ) đđĽ 3 3 2 6 = đ − đđ¨đŹ đđ đđ¨đŹ đđ ( + )+đ đ đ đ 1 3.Evaluate∫0 2 cos 6đ cos đ đđ, correct to 4 decimal places. 1 1 ∫ 2 cos 6đ cos đ đđ = 2 ∫ 0 = [( 0 sin 7đ 7 + sin 5đ 5 1 1 [cos(6đ + đ) + cos(6đ − đ)] đđ = ∫ (cos 7đ + cos 5đ) đđ 2 0 sin 7 sin 5 sin 0 sin 0 sin 7 sin 5 1 )] = [ 7 + 5 ] − [ 7 + 5 ] = [ 7 + 5 ]. 0 ‘sin 7’ means ‘the sine of 7 radians’ and sin 5 ‘the sine of 5 radians’. 1 Hence ∫0 2 cos 6đ cos đ đđ = (0.09386 + (−0.19178)) − (0) = −0.0979, correct to 4 decimal places. 4.Find 3 ∫ sin 5đĽ sin 3đĽ đđĽ. 1 3 ∫ sin 5đĽ sin 3đĽ đđĽ = 3 ∫ − [cos(5đĽ + 3đĽ) − cos(5đĽ − 3đĽ)] đđĽ 2 3 3 sin 8đĽ sin 2đĽ = − ∫(cos 8đĽ − cos 2đĽ) đđĽ = − ( − )+đ 2 2 8 2 đ = (đ đŹđ˘đ§ đđ − đŹđ˘đ§ đđ) + đ đđ Exercise Integrate each of the following functions with respect to the variable 1.sin 5t cos 2t. 2.2 sin 3x sin x. 25 3.3 cos 6x cos x. 1 4. 2 cos 4đ sin 2đ. Integration using đŹđ˘đ§ đ˝ substitution Examples 1.Determine∫ 1 √(đ2 −đĽ 2 ) Let đĽ = asin đ, đĄâđđ Hence ∫ 1 √(đ2 −đĽ 2 ) đđĽ đđĽ đđ = acos đ đđđ đđĽ = acos đđđ. đđĽ = ∫ 1 √(đ2 −đ2 đ đđ2 đ) acos đđđ = ∫ acos đđđ [√đ2 (1−đ đđ2 đ)] =∫ acos đđđ , √(đ2 đđđ 2 đ) đ đđđđ đđđ 2 đ + đ đđ2 đ = 1. =∫ acos đđđ = ∫ đđ = đ + đ đđđđ đ đĽ đĽ Since đĽ = asin đ, đĄâđđ sin đ = đ đđđ đ = đ đđ−1 đ. Hence ∫ 1 đ √(đ2 −đĽ 2 ) 3 2. Evaluate ∫0 đđĽ = đđđ−đ đ + đ. 1 √(9−đĽ 2 ) đđĽ. 3 From the above example, ∫0 1 √(9−đĽ 2 ) đ 3 đđĽ = [đđđ−đ đ] , đ đđđđ đ = 3. 0 = (đ đđ−1 1 − đ đđ−1 0) = đ đ − 0 = đđ đ. đđđđ. 2 đ 3.Find ∫ √(đ2 − đĽ 2 ) đđĽ. Let đĽ = asin đ, đĄâđđ đđĽ đđ = acos đ đđđ đđĽ = acos đđđ. Hence ∫ √(đ2 − đĽ 2 ) đđĽ = ∫ √(đ2 − đ2 đ đđ2 đ) acos đđđ = ∫ √(đ2 (1 − đ đđ2 đ) acos đđđ = 26 = ∫ √(đ2 (đđđ 2 đ) acos đđđ = ∫(acos đ) (acos đđđ) = đ2 ∫ đđđ 2 đ đđ = đ2 ∫( = 1 + cos 2đ )đđ , đ đđđđ (cos 2đ = 2đđđ 2 đ − 1) 2 đ2 sin 2đ đ2 2 sin đ cos đ đ2 (đ + ) + đ = (đ + ) + đ = (đ + sin đ cos đ) + đ 2 2 2 2 2 đĽ đĽ Since đĽ = asin đ, đĄâđđ sin đ = đ đđđ đ = đ đđ−1 đ. đĽ Also, đđđ 2 đ + đ đđ2 đ = 1, đđđđ đ¤âđđâ cos đ = √1 − đ đđ2 đ = √[1 − (đ)2 ] = √( đ2 −đĽ2 √(đ2 − đĽ 2 ) = đ Thus ∫ √(đ2 − đĽ 2 ) đđĽ = đ2 2 (đ + sin đ cos đ) + đ = = đ2 2 đĽ đĽ √(đ2 −đĽ 2 ) [đ đđ−1 đ + (đ) đ đđ đ đ đđđ−đ + √(đđ − đđ ) + đ đ đ đ 4 4.Evaluate ∫0 √(16 − đĽ 2 ) đđĽ 4 đđ đ đ From above example, ∫0 √(16 − đĽ 2 ) đđĽ = [ đ đđđ−đ đ + đ √(đđ − đđ )] đ 4 0 = [8đ đđ−1 1 + 2√(0)] − [8đ đđ−1 0 + 0] = 8đ đđ−1 1 = 8 ( 2 ) = đđ or 12.57 Exercise 5 1.Determine ∫ √4−đĄ 2 đđĄ. 3 2.Determine ∫ √9−đĽ 2 đđĽ. 3.Determine ∫ √4 − đĽ 2 đđĽ. 4. Determine ∫ √16 − 9đĄ 2 đđĽ. 4 5.Evaluate ∫0 √16 − đĽ 2 đđĽ. Integration using đđđđ˝ substitution 27 ]+đ đ2 ) Examples 1 1.Determine∫ (đ2 +đĽ 2 ) đđĽ. đđĽ Let đĽ = atan đ đĄâđđ đđ = đđ đđ 2 đ đđđ đđĽ = đđ đđ 2 đđđ. 1 đđ đđ 2 đđđ 1 Hence ∫ (đ2 +đĽ 2 ) đđĽ = ∫ (đ2 +đ2 đĄđđ2 đ) (đđ đđ 2 đđđ) = ∫ đ2 (1+đĄđđ2 đ) = ∫ đđ đđ 2 đđđ đ2 đ đđ 2 đ , đ đđđđ 1 + đĄđđ2 đ = đ đđ 2 đ. 1 1 = ∫ đđ = đ + đ. đ đ đĽ Since đĽ = atan đ, đ = đĄđđ−1 đ. đ đ đ Hence ∫ (đđ +đđ ) đ đ = đ đđđ−đ đ + đ. 2 2. Evaluate ∫0 1 đđĽ (4+đĽ 2 ) 2 From the above example, ∫0 1 1 (4+đĽ 2 ) 1 đĽ 2 đđĽ = 2 [đĄđđ−1 2] since a = 2. 0 1 đ = 2(đĄđđ−1 1 − đĄđđ−1 0) = 2 (4 − 0) = 1 3.Evaluate ∫0 1 ∫0 5 (3+2đĽ 2 ) đđĽ = ∫0 5 5 3 2 2[ +đĽ 2 ] = 5 2 đ đđ đ. đđđđ đđĽ, correct to 4 decimal places. 1 5 (3+2đĽ 2 ) đ 1 đđĽ = 2 ∫0 5 2 1 5 3 [(√ )2 +đĽ 2 ] 2 1 √3 ( 2) [ đĄđđ−1 đđĽ = 2 [ 1 3 √ 2 đĄđđ−1 đĽ 3 √ 2 3 1 ] , since đ = √2 0 đĽ 1 5 2 2 1 = √ [đĄđđ−1 √ đĽ] 0 2 3 3 0 √3 2] 2 = 2 √(3) [đĄđđ−1 √(3) − đĄđđ−1 0] = (2.0412)[0.6847 − 0] = đ. đđđđ, correct to 4 decimal places. Exercise 3 1.Determine ∫ 4+đĄ 2 đđĄ. 28 5 2.Determine ∫ 16+9đ2 đđ. 1 3. Evaluate ∫0 1+đĄ 2 3 4.Evaluate ∫0 3 5 4+đĽ 2 đđĄ. đđĽ. Integration using đŹđ˘đ§đĄ đ˝ substitution Examples 1.Determine ∫ 1 √(đĽ 2 +đ2 ) đđĽ Let đĽ = đ sinh đ, đĄâđđ Hence ∫ 1 √(đĽ 2 +đ2 ) đđĽ đđ đđĽ = ∫ = đ cosh đ đđđ đđĽ = đ cosh đđđ 1 √(đ2 đ đđâ2 đ+đ2 ) (đ cosh đđđ) = ∫ đ cosh đ √đ2 đđđ â2 đ đđ, đ đđđđ đđđ â2 đ − đ đđâ2 đ = 1. = ∫ đđ = đ + đ = đđđđ−đ đ + đ , đ đđđđ đĽ = đ sinh đ. đ Inverse hyperbolic functions may be evaluated most conveniently when expressed in a logarithmic form. đĽ Let đŚ = đ đđâ−1 đ , đĄâđđ đĽ đ = sinh đŚ. From definition of hyperbolic functions, đ đŚ = cosh đŚ + sinh đŚ But cosh đŚ = √đ đđâ2 đŚ + 1. đĽ đĽ Therefore đ đŚ = √(đ)2 + 1 + đ = √đĽ 2 +đ2 đ Thus taking natural logarithms, đŚ = ln Hence ∫ 1 √(đĽ 2 +đ2 ) 2 2.Evaluate ∫0 2 ∫0 1 √đĽ 2 +4 đđĽ = ln { 1 √đĽ 2 +4 đĽ+√đĽ 2 +đ2 đ đĽ +đ= đĽ+√đĽ2 +đ2 đ đĽ+√đĽ 2 +đ2 đ đĽ đĽ+√đĽ 2 +đ2 đ đ or đ đđâ−1 = ln }+đ đđĽ, correct to 4 decimal places. đĽ 2 đĽ+√đĽ2 +4 2 đđĽ = [đ đđâ−1 2] đđ [ln { 2 }] , since a = 2. 0 0 29 . 2 Using the logarithmic form, ∫0 2 3.Evaluate ∫1 2 đĽ 2 √1+đĽ 2 1 √đĽ 2 +4 đđĽ = [ln( 2+√8 0+√4 2 2 ) − ln( )] = ln 2.4142 − ln 1 = đ. đđđđ đđĽ, correct to 3 significant figures Since the integral contains a term of the form √đ2 + đĽ 2 , then let đĽ = đ sinh đ, đđđđ đ¤âđđâ Hence ∫ 2 đĽ 2 √1+đĽ 2 đđĽ đđ đđĽ = ∫ = đ cosh đ đđđ đđĽ = đ cosh đđđ 2(cosh đđđ) đ đđâ2 đ√(1+đ đđâ2 đ) = 2∫ đđ = 2 ∫ đđđ đđâ2 đ đđ = −2 coth đ + đ đ đđâ2 đ coth đ = 2 Hence ∫1 cosh đđđ = 2 ∫ đ đđâ2 đ cosh đ, đ đđđđ đđđ â2 đ − đ đđâ2 đ = 1 cosh đ √(1 + đ đđâ2 đ) √1 + đĽ 2 = = sinh đ sinh đ đĽ √1+đĽ 2 2 √5 √2 2 đđĽ = −[2 coth đ] = −2 [ ] = −2 [ 2 − 1 ] = 0.592, đĽ đĽ 2 √1+đĽ 2 1 1 2 correct to 3 significant figures. 4.Find ∫ √(đĽ 2 + đ2 ) đđĽ Let đĽ = đ sinh đ, đĄâđđ đđĽ đđ = đ cosh đ đđđ đđĽ = đ cosh đđđ Hence ∫ √(đĽ 2 + đ2 ) đđĽ = ∫ √(đ2 đ đđâ2 đ + đ2 )(đ cosh đđđ) = ∫ √đ2 (đ đđâ2 đ + 1) (đ cosh đđđ) = ∫ √đ2 đđđ â2 đ (đ cosh đđđ) = ∫(đ cosh đ) (đ cosh đ)đđ = đ2 ∫ đđđ â2 đ đ đ = đ2 ∫ ( 1 + cosh 2đ đ2 sinh 2đ đ2 ) đđ = (đ + ) + đ = (đ + sinh đ cosh đ) + đ, 2 2 2 2 Since sinh 2đ = 2 sinh đ cosh đ. đĽ đĽ Since đĽ = asinh đ, đĄâđđ sinh đ = đ đđđ đ = đ đđâ−1 đ đĽ Also since đđđ â2 đ − đ đđâ2 đ = 1, then cosh đ = √(1 + đ đđâ2 đ) = √[1 + (đ)2 ] = √( = √đ2 + đĽ 2 đ 30 đ2 +đĽ 2 đ2 ) đ2 Hence ∫ √(đĽ 2 + đ2 ) đđĽ = 2 đĽ √đ2 +đĽ2 đĽ [đ đđâ−1 đ + (đ) đ ]+đ = đđ đ đ đ đđđđ−đ đ + đ √đđ + đđ + đ Exercise 1.Find ∫ 2 √(đĽ 2 +16) đđĽ, 2.Find∫ √(đĽ 2 + 9) đđĽ, 3 3.Evaluate ∫0 4 √(đĄ 2 +9) đđĄ, 1 4.Evaluate ∫0 √(16 + 9đ 2 ) đđ. Integration using đđ¨đŹđĄ đ˝ substitution 1 1.Determine ∫ √đĽ 2 −đ2 đđĽ. Let đĽ = đ cosh đ đĄâđđ 1 Hence ∫ √đĽ 2 đđĽ = asinh đ đđđ đđĽ = asinh đđđ đđ 1 −đ2 asinh đđđ asinh đđđ đđĽ = ∫ 2 (asinh đđđ) = ∫ 2 = ∫ √đ2 , đ đđâ2 đ √(đ đđđ â2 đ−đ2 ) √đ (đđđ â2 đ−1) đ đđđđ đđđ â2 đ − đ đđâ2 đ = 1. =∫ asinh đđđ đ = ∫ đđ = đ + đ = đđđđ−đ + đ , đ đđđđ đĽ = acosh đ. asinh đ đ đĽ It can be shown that đđđ â−1 đ = ln { 1 Hence ∫ √đĽ 2 −đ2 đđĽ = đĽđ§ { 2đĽ−3 2.Determine ∫ √đĽ 2 −9 đĽ+√(đĽ 2 −đ2 ) đ } đ+√(đđ −đđ ) đ } + đ provides an alternative solution. đđĽ ∫ 2đĽ − 3 √đĽ 2 − 9 đđĽ = ∫ 2đĽ √đĽ 2 − 9 đđĽ − ∫ 3 √đĽ 2 − 9 đđĽ The first integral is determined using the algebraic substitution đ˘ = đĽ 2 − 9, and the second 1 integral is of the form∫ √đĽ 2 2đĽ Hence ∫ √đĽ 2 −9 −đ2 3 đđĽ − ∫ √đĽ 2 đđĽ. đ −9 đđĽ = đ√(đđ − đ − đđđđđ−đ đ + đ 3.Determine ∫ √đĽ 2 − đ2 đđĽ 31 Let đĽ = đ cosh đ đĄâđđ đđĽ = asinh đ đđđ đđĽ = asinh đđđ đđ Hence∫ √đĽ 2 − đ2 đđĽ = ∫ √đ2 đđđ â2 đ − đ2 (asinh đđđ) = ∫ √đ2 (đđđ â2 đ − 1) (asinh đđđ) = ∫ √đ2 đ đđâ2 đ (asinh đđđ) = đ2 ∫ đ đđâ2 đđđ = đ2 ∫( cosh 2đ − 1 ) đđ, 2 since cosh 2đ = 1 + 2đ đđâ2 đ. = đ2 sinh 2đ đ2 [ − đ] + đ = [sinh đ cosh đ − đ] + đ, đ đđđđ sinh 2đ = 2 sinh đ cosh đ. 2 2 2 đĽ đĽ Since đĽ = acosh đ đĄâđđ cosh đ = đ đđđ đ = đđđ â−1 đ. đĽ Also, since đđđ â2 đ − đ đđâ2 đ = 1, đĄâđđ sinh đ = √(đđđ â2 đ − 1) = √(đ)2 − 1 = Hence ∫ √đĽ 2 − đ2 đđĽ = đ2 √(đĽ 2 −đ2 ) đĽ [ 2 đ đĽ đ (đ) − đđđ â−1 đ]+c = đ √(đđ − đđ ) − đđ đ √(đĽ 2 −đ2 ) đ đ đđđđ−đ đ + đ 3 4.Evaluate∫2 √đĽ 2 − 4 đđĽ. 3 đĽ 4 đĽ 3 From above example, ∫2 √đĽ 2 − 4 đđĽ = [2 √(đĽ 2 − 4) − 2 đđđ â−1 2] , đ¤âđđ đ = 2. 2 3 3 = ( √5 − 2đđđ â−1 ) − (0 − 2đđđ â−1 1) 5 2 đĽ Since đđđ â−1 đ = ln { đĽ+√(đĽ 2 −đ2 ) đ 3 } , đĄâđđ đđđ â−1 2 = ln { 3+√(32 −22 ) 2 } = ln 2.6180 = 0.9624 Similarly, đđđ â−1 1 = 0. 3 Hence ∫ √đĽ 2 − đ2 đđĽ = [2 √5 − 2(0.9624)] − (0) = đ. đđđ, correct to 4 significant figures Exercise 1 1.Find ∫ √đĄ 2 2.Find∫ −16 đđĄ, 3 √(4đĽ 2 −9) 2 3.Evaluate∫1 đđĽ, 2 √(đĽ 2 −1) đđĽ, 3 4.Evaluate ∫2 √(đĄ 2 − 4) đđĄ. 32 đ˝ The đ = đđđ§ đ substitution 1 Integrals of the form ∫ acos đ+đ sin đ+đ đđ, where a, b and c are constants, may be determined by đ using the substitution đĄ = tan 2. . The reasoning is as explained below. đ If angle A in the right-angled triangle ABC shown in the figure below is made equal to 2 then, đđđđđ đđĄđ đ since tangent = đđđđđđđđĄ, if BC = t and AB = 1, then tan 2 = t. C √1 + đĄ 2 đĄ đ 2 A 1 B By Pythagoras’ theorem, AC = √1 + đĄ 2 Therefore, sin đ đĄ đ 1 = đđđ cos = 2 √1 + đĄ 2 2 √1 + đĄ 2 đ đ Since sin 2x = 2 sin x cos x(from double angle formulae), then sin đ = 2 sin 2 cos 2 = 2( đĄ √1 + đĄ 2 )( 1 √1 + đĄ 2 đđ i.e. đŹđ˘đ§ đ˝ = đ+đđ …(1) 33 )= 2đĄ 1 + đĄ2 đ đ 1 đĄ Since cos 2x = đđđ 2 đĽ − đ đđ2 đĽ, then cos đ = đđđ 2 2 − đ đđ2 2 = (√1+đĄ 2 )2 − (√1+đĄ 2 )2 đ−đđ i.e. đđ¨đŹ đ˝ = đ+đđ …(2) đ đđĄ 1 đ 1 đ Also, since t = tan 2 , đđ = 2 đ đđ 2 2 = 2 (1 + đĄđđ2 2) from trigonometric identities, đđĄ 1 đđ đ i.e. đđ = 2 (1 + đĄ 2 ) from which đ đ˝ = đ+đđ …(3) 1 Equations (1), (2) and (3) are used to determine integrals of the form ∫ acos đ+đ sin đ+đ đđ where a, b or c may be zero. Examples 1 1.Determine ∫ sin đ đđ. đ 2đĄ 2đđĄ If đĄ = tan 2, then sin đ = 1+đĄ 2 and đđ = 1+đĄ 2 from equations (1) and (3). 1 Thus ∫ sin đ đđ = ∫ 1 2đđĄ 1 (1+đĄ 2 ) = ∫ đĄ đđĄ = ln đĄ + đ 2đĄ 1+đĄ2 1 đ˝ Hence ∫ sin đ đđ = đĽđ§(đđđ§ đ) + đ đđĽ 2.Determine ∫ cos đĽ. 1−đĄ 2 đĽ 2đđĄ If đĄ = tan 2 then cos đĽ = 1+đĄ 2 and đđĽ = 1+đĄ 2 from equations (2) and (3). đđĽ 1 2đđĄ 2 Thus ∫ cos đĽ = ∫ 1−đĄ2 (1+đĄ 2 ) = ∫ 1−đĄ 2 đđĄ. 1+đĄ2 2 1−đĄ 2 Let may be resolved into partial fractions. 2 1−đĄ 2 2 ≡ (1−đĄ)(1+đĄ) ≡ đ´ 1−đĄ + đľ 1+đĄ ≡ đ´(1+đĄ)+đľ(1−đĄ) (1−đĄ)(1+đĄ) Hence 2 ≡ đ´(1 + đĄ) + đľ(1 − đĄ). When t = 1, 2 = 2A, from which,A = 1 When t = −1, 2 = 2B, from which,B = 1 2 1 1 (1+đĄ) Hence ∫ 1−đĄ 2 đđĄ = ∫ {1−đĄ + 1+đĄ} đđĄ = − ln(1 − đĄ) + ln(1 + đĄ) + đ = ln {(1−đĄ)} + đ 34 đ đ Thus ∫ đđ¨đŹ đ = đĽđ§ { đ đ đ đ −đđđ§ đ đ+đđđ§ } + đ. đ Note that since tan 4 = 1, the above result may be written as: đ đĽ tan 4 + tan 2 đđĽ đ đ ∫ = ln { } + đ = đĽđ§ {đđđ§( + )} + đ đ đĽ cos đĽ đ đ 1 − tan 4 tan 2 đđĽ 3.Determine ∫ 1+cos đĽ. 1−đĄ 2 đĽ 2đđĄ If đĄ = tan 2 then cos đĽ = 1+đĄ 2 and đđĽ = 1+đĄ 2 from equations (2) and (3). đđĽ Thus∫ 1+cos đĽ = ∫ 1 2đđĄ 1 2đđĄ (1+đĄ 2 ) = ∫ (1+đĄ2 )+(1−đĄ2 ) (1+đĄ 2 ) = ∫ đđĄ 1−đĄ2 1+ 2 1+đĄ 1+đĄ2 đđĽ đ Hence ∫ 1+cos đĽ = đĄ + đ = đđđ§ đ + đ đđ 4.Determine∫ 5+4 cos đ . 1−đĄ 2 đ 2đđĄ If đĄ = tan 2, then cos đ = 1+đĄ 2 and đđ = 1+đĄ 2 from equations (1) and (3). 2đđĄ 1+đĄ2 1−đĄ2 5+4( 2 ) 1+đĄ đđ Thus ∫ 5+4 cos đ = ∫ đ đ˝ đ =∫ đ 2đđĄ 1+đĄ2 5(1+đĄ2 )+4(1−đĄ2 ) (1+đĄ2 ) đđĄ đđĄ 1 đĄ = 2 ∫ đĄ 2 +9 = 2 ∫ đĄ 2 +32 = 2(3 đĄđđ−1 3) + đ đ˝ Hence ∫ đ+đ đđ¨đŹ đ˝ = đ đđđ−đ (đ đđđ§ đ) + đ đđĽ 5.Determine ∫ sin đĽ+cos đĽ . đĽ 1−đĄ 2 2đĄ 2đđĄ If đĄ = tan 2 then sin đĽ = 1+đĄ 2, , cos đĽ = 1+đĄ 2 and đđĽ = 1+đĄ 2 from equations (1), (2) and (3). Thus ∫ đđĽ sin đĽ+cos đĽ =∫ 2đđĄ 1+đĄ2 2đĄ 1−đĄ2 + 1+đĄ2 1+đĄ2 =∫ đ đ i.e. ∫ đŹđ˘đ§ đ+đđ¨đŹ đ = đ √đ =∫ 2đđĄ 1+đĄ2 2đĄ+1−đĄ2 1+đĄ2 =∫ 2đđĄ 1+2đĄ−đĄ 2 =∫ −2đđĄ đĄ 2 −2đĄ−1 =∫ −2đđĄ (đĄ−1)2 −2 2đđĄ 1 √2 + (đĄ − 1) = 2[ ln { }] + đ (√2)2 − (đĄ − 1)2 2√2 √2 − (đĄ − 1) đ đĽđ§ { √đ−đ+đđđ§đ đ √đ+đ−đđđ§đ } + đ (See problem 9 under Integration using partial fractions) 35 đđĽ 6.Determine ∫ 7−3 sin đĽ+6 cos đĽ. From equations (1), (2) and (3), đđĽ ∫ =∫ 7 − 3 sin đĽ + 6 cos đĽ =∫ 7+ 7đĄ 2 2đđĄ 2đđĄ 1 + đĄ2 1 + đĄ2 =∫ 2 2đĄ 1−đĄ 7(1 + đĄ 2 ) − 3(2đĄ) + 6(1 − đĄ 2 ) 7 − 3( ) + 6( ) 2 2 1+đĄ 1+đĄ 1 + đĄ2 2đđĄ 2đđĄ 2đđĄ 1 đĄ−3 =∫ 2 =∫ = 2 [ đĄđđ−1 ( )] + đ 2 2 2 − 6đĄ + 6 − 6đĄ đĄ − 6đĄ + 13 (đĄ − 3) + 2 2 2 đ đ đđđ§ −đ đđĽ Hence ∫ 7−3 sin đĽ+6 cos đĽ = đđđ−đ ( )+đ đ đđ 7.Determine ∫ 4 cos đ+3 sin đ. From equations (1) to (3), đđ ∫ =∫ 4 cos đ + 3 sin đ 2đđĄ 1 + đĄ2 4( đĄ2 1− 2đĄ ) + 3( ) 2 1+đĄ 1 + đĄ2 =∫ 2đđĄ đđĄ = ∫ 4 − 4đĄ 2 + 6đĄ 2 + 3đĄ − 2đĄ 2 1 đđĄ 1 đđĄ 1 đđĄ =− ∫ =− ∫ = ∫ 2 đĄ2 − 3 đĄ − 1 2 (đĄ − 3)2 − 25 2 (5)2 − (đĄ − 3)2 2 4 16 4 4 5 3 1 + (đĄ − 4) +đĄ 1 1 1 = [ ln {4 } + đ] = ln {2 }+đ 5 3 2 2(5) 5 2−đĄ − (đĄ − ) 4 4 4 (See problem 9 under Integration using partial fractions) đđ đ đ đ˝ đ đ˝ đ−đđđ§ đ Hence ∫ 4 cos đ+3 sin đ = đ đĽđ§ { đ +đđđ§ đ } + đ or đ đĽđ§ { đ˝ đ đ˝ đ−đ đđđ§ đ đ+đđđđ§ }+đ Partial Fractions By algebraic addition, (đĽ + 1) + 3(đĽ − 2) 1 3 4đĽ − 5 + = = 2 (đĽ − 2)(đĽ + 1) đĽ−2 đĽ+1 đĽ −đĽ−2 4đĽ−5 1 3 The reverse process of moving from đĽ 2 −đĽ−2 to đĽ−2 + đĽ+1 is called resolving into partial fractions. 36 In order to resolve an algebraic expression into partial fractions: (i) the denominator must factorize (in the above example, đĽ 2 − đĽ − 2 factorizes as (x−2)(x+1)), and (ii) the numerator must be at least one degree less than the denominator (in the above example (4x−5) is of degree 1 since the highest powered x term is đĽ1 and (đĽ 2 − đĽ − 2) is of degree 2). When the degree of the numerator is equal to or higher than the degree of the denominator, the numerator must be divided by the denominator until the remainder is of less degree than the denominator(see Problems (c) and (d)). There are basically three types of partial fraction and the form of partial fraction used is summarized in the following table , where f(x) is assumed to be of less degree than the relevant denominator and A, B and Care constants to be determined. (In the latter type in the table , đđĽ 2 + đđĽ + đ is a quadratic expression which does not factorize without containing surds or imaginary terms.) Resolving an algebraic expression into partial fractions is used as a preliminary to integrating certain functions. Type 1 Denominator containing Linear factors 2 Repeated linear factors 3 Quadratic factors Expression đ(đĽ) (đĽ + đ)(đĽ − đ)(đĽ + đ) đ(đĽ) (đĽ + đ)3 đ(đĽ) 2 (đđĽ + đđĽ + đ)(đĽ + đ) Form of Partial Fraction đ´ đľ đś + + (đĽ + đ) (đĽ − đ) (đĽ + đ) đ´ đľ đś + + 2 (đĽ + đ) (đĽ + đ) (đĽ + đ)3 đ´đĽ + đľ đś + 2 (đđĽ + đđĽ + đ) (đĽ + đ) Examples (a)Resolve 11−3đĽ đĽ 2 +2đĽ−3 into partial fractions. The denominator factorizes as (x−1) (x+3) and the numerator is of less degree than the denominator. Thus Let 11−3đĽ đĽ 2 +2đĽ−3 11−3đĽ đĽ 2 +2đĽ−3 11−3đĽ may be resolved into partial fractions. đ´ ≡ (đĽ−1)(đĽ+3) ≡ (đĽ−1) + đľ (đĽ+3) Where A and Bare constants to be determined, 37 11−3đĽ đ´(đĽ+3)+đľ(đĽ−1) (đĽ−1)(đĽ+3) i.e. đĽ 2 +2đĽ−3 ≡ by algebraic addition. Since the denominators are the same on each side of the identity then the numerators are equal to each other. Thus, 11−3x ≡ A(x+3)+B(x−1) To determine constants A and B, values of x are chosen to make the term in A or B equal to zero. When x=1, then 11−3(1) ≡ A(1+3)+B(0) i.e. 8 = 4A i.e. A = 2 When x = −3, then 11−3(−3) ≡ A(0)+B(−3−1) i.e. 20 = −4B i.e. B = −5 11−3đĽ 2 −5 2 5 Thus, đĽ 2 +2đĽ−3 = (đĽ−1) + (đĽ+3) = (đĽ−1) − (đĽ+3) Check: The right hand side simplifies to the result on the left by simple subtraction of fractions. 2đĽ 2 −9đĽ−35 (b) Convert (đĽ+1)(đĽ−2)(đĽ+3) into the sum of three partial fractions. 2đĽ 2 −9đĽ−35 đ´ đľ đś Let (đĽ+1)(đĽ−2)(đĽ+3) ≡ (đĽ+1) + (đĽ−2) + (đĽ+3) ≡ đ´(đĽ−2)(đĽ+3)+đľ(đĽ+1)(đĽ+3)+đś(đĽ+1)(đĽ−2) (đĽ+1)(đĽ−2)(đĽ+3) by algebraic addition. Equating the numerators gives: 2đĽ 2 − 9x – 35 ≡ A(x−2)(x+3) + B(x+1)(x+3) + C(x+1)(x−2) Let x = −1. Then 2(−1)2 − 9(−1) – 35 ≡ A(−3)(2) + B(0)(2) + C(0)(−3) i.e. −24 = −6A i.e. A = 4 Let x = 2. Then 2(2)2 − 9(2) – 35 ≡ A(0)(5) + B(3)(5) + C(3)(0) 38 i.e. −45 = 15B i.e. B = −3 Let x = −3. Then 2(−3)2 − 9(−3) – 35 ≡ A(−5)(0) + B(−2)(0) + C(– 2)(–5) i.e. 10 = 10 C i.e. C = 1 2đĽ 2 −9đĽ−35 4 3 1 Thus (đĽ+1)(đĽ−2)(đĽ+3) ≡ (đĽ+1) − (đĽ−2) + (đĽ+3) đĽ 2 +1 (c)Resolve đĽ 2 −3đĽ+2 into partial fractions. The denominator is of the same degree as the numerator. Thus dividing out gives: 1 2 + Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě đĽ 2 − 3đĽ + 2)đĽ 1 đĽ 2 − 3đĽ + 2 3đĽ − 1 đĽ 2 +1 3đĽ−1 3đĽ−1 Hence đĽ 2 −3đĽ+2 ≡ 1 + đĽ 2 −3đĽ+2 ≡ 1 + (đĽ−1)(đĽ−2). 3đĽ−1 đ´ đľ Let (đĽ−1)(đĽ−2) ≡ (đĽ−1) + (đĽ−2) ≡ đ´(đĽ−2)+đľ(đĽ−1) . (đĽ−1)(đĽ−2) Equating numerators gives: 3x−1 ≡ A(x−2) + B(x−1) Let x=1.Then 2 = −A i.e. A = −2 Let x = 2.Then 5 = B 3đĽ−1 −2 5 Hence (đĽ−1)(đĽ−2) ≡ (đĽ−1) + (đĽ−2). đĽ 2 +1 2 5 Thus đĽ 2 −3đĽ+2 ≡ 1 − (đĽ−1) + (đĽ−2). 39 (d)Express đĽ 3 −2đĽ 2 −4đĽ−4 đĽ 2 +đĽ−2 in partial fractions. The numerator is of higher degree than the denominator. Thus dividing out gives: đĽ−3 3 − 2đĽ 2 − 4đĽ − 4 Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě Ě đĽ 2 + đĽ − 2)đĽ đĽ 3 + đĽ 2 − 2đĽ −3đĽ 2 − 2đĽ − 4 −3đĽ 2 − 3đĽ + 6 đĽ − 10 đĽ 3 −2đĽ 2 −4đĽ−4 Thus đĽ 2 +đĽ−2 đĽ−10 đĽ−10 đĽ−10 ≡ đĽ − 3 + đĽ 2 +đĽ−2 ≡ đĽ − 3 + (đĽ+2)(đĽ−1) đ´ đľ Let (đĽ+2)(đĽ−1) ≡ (đĽ+2) + (đĽ−1) ≡ đ´(đĽ−1)+đľ(đĽ+2) (đĽ+2)(đĽ−1) Equating the numerators gives: x − 10 ≡ A(x−1) + B(x+2) Let x = −2.Then −12 = −3A i.e. A = 4 Let x = 1.Then −9 = 3B i.e. B = −3 đĽ−10 4 3 Hence (đĽ+2)(đĽ−1) ≡ (đĽ+2) − (đĽ−1) Thus đĽ 3 −2đĽ 2 −4đĽ−4 đĽ 2 +đĽ−2 4 3 ≡ đĽ − 3 + (đĽ+2) − (đĽ−1) 2đĽ+3 (e)Resolve (đĽ−2)2 into partial fractions. The denominator contains a repeated linear factor, (đĽ − 2)2 . 2đĽ+3 đ´ đľ Let (đĽ−2)2 ≡ (đĽ−2) + (đĽ−2)2 ≡ đ´(đĽ−2)+đľ (đĽ−2)2 Equating the numerators gives: 40 2x + 3 ≡ A(x−2) + B Let x = 2. Then 7 = A(0) + B i.e. B = 7 2x + 3 ≡ A(x−2) + B ≡ Ax−2A + B Since an identity is true for all values of the unknown, the coefficients of similar terms may be equated. Hence, equating the coefficients of x gives:2 = A. [Also, as a check, equating the constant terms gives: 3 = −2A + B When A= 2 and B = 7, R.H.S. = −2(2) + 7 = 3 = L.H.S.] 2đĽ+3 2 7 Hence (đĽ−2)2 ≡ (đĽ−2) + (đĽ−2)2 5đĽ 2 −2đĽ−19 (f)Express (đĽ+3)(đĽ−1)2 as the sum of three partial fractions. The denominator is a combination of a linear factor and a repeated linear factor. 5đĽ 2 −2đĽ−19 Let (đĽ+3)(đĽ−1)2 ≡ đ´ (đĽ+3) + đľ (đĽ−1) + đś (đĽ−1)2 ≡ đ´(đĽ−1)2 +đľ(đĽ+3)(đĽ−1)+đś(đĽ+3) (đĽ+3)(đĽ−1)2 by algebraic addition. Equating the numerators gives: 5đĽ 2 −2x −19 ≡ A(đĽ − 1)2 + B(x+3)(x−1) + C(x+3) (1) Let x = −3. Then 5(−3)2 −2(−3) – 19 ≡ A(−4)2 + B(0)(−4) + C(0) i.e. 32 = 16A, or A=2 Let x = 1. Then 5(1)2 − 2(1) – 19 ≡ A(0)2 + B(4)(0) + C(4) i.e. −16 = 4C or C = −4 Without expanding the RHS of equation (1) it can be seen that equating the coefficients of đĽ 2 gives:5 = A + B, and since A = 2, B = 3. 41 5đĽ 2 −2đĽ−19 2 3 4 Hence (đĽ+3)(đĽ−1)2 ≡ (đĽ+3) + (đĽ−1) − (đĽ−1)2. Practice Resolve 3đĽ 2 +16đĽ+15 (đĽ+3)3 3 into partial fractions. 2 6 Ans (đĽ+3) − (đĽ+3)2 − (đĽ+3)3 7đĽ 2 +5đĽ+13 (g) Express (đĽ 2 +2)(đĽ+1) in partial fractions. The denominator is a combination of a quadratic factor, (đĽ 2 + 2), which does not factorize without introducing imaginary surd terms, and a linear factor, (x+1). Let, (đ´đĽ + đľ)(đĽ + 1) + đś(đĽ 2 + 2) 7đĽ 2 + 5đĽ + 13 đ´đĽ + đľ đś ≡ + ≡ (đĽ 2 + 2)(đĽ + 1) (đĽ 2 + 2) (đĽ + 1) (đĽ 2 + 2)(đĽ + 1) Equating numerators gives: 7đĽ 2 + 5đĽ + 13 ≡ (Ax+B)(x+1) + C(đĽ 2 + 2) (1) Let x = −1.Then 7(−1)2 + 5(−1) + 13 ≡ (Ax+B)(0) + C(1+2) i.e. 15 = 3C or C = 5. Identity (1) may be expanded as: 7đĽ 2 + 5đĽ + 13 ≡ AđĽ 2 + Ax + Bx + B + CđĽ 2 + 2C Equating the coefficients of đĽ 2 terms gives: 7 = A + C, and since C = 5, A = 2. Equating the coefficients of x terms gives: 5 = A + B, and since A = 2, B = 3. 7đĽ 2 +5đĽ+13 2đĽ+3 5 Hence (đĽ 2 +2)(đĽ+1) ≡ (đĽ 2 +2) + (đĽ+1). Practice Resolve 3+6đĽ+4đĽ 2 −2đĽ 3 đĽ 2 (đĽ 2 +3) into partial fractions. 42 2 1 3−4đĽ Ans đĽ + đĽ 2 + đĽ 2 +3 Integration using partial fractions The process of expressing a fraction in terms of simpler fractions—called partial fractions—is referred to as resolving the given fraction into partial fractions. Certain functions have to be resolved into partial fractions before they can be integrated as demonstrated in the following worked problems. 11−3đĽ 1.Determine ∫ đĽ 2 +2đĽ−3 đđĽ. 11−3đĽ 11−3đĽ 2 5 Now đĽ 2 +2đĽ−3 = (đĽ−1)(đĽ+3) ≡ (đĽ−1) − (đĽ+3). 11−3đĽ 2 5 2đđĽ 5đđĽ Hence∫ đĽ 2 +2đĽ−3 đđĽ = ∫ {(đĽ−1) − (đĽ+3)} đđĽ = ∫ (đĽ−1) − ∫ (đĽ+3) = đ đĽđ§(đ − đ) − đ đĽđ§(đ + đ) + đ (đ−đ)đ Or đĽđ§ {(đ+đ)đ } + đ by use of the laws of logarithms. 2đĽ 2 −9đĽ−35 2.Find ∫ (đĽ+1)(đĽ−2)(đĽ+3) đđĽ. 2đĽ 2 − 9đĽ − 35 4 3 1 ≡ − + (đĽ + 1)(đĽ − 2)(đĽ + 3) (đĽ + 1) (đĽ − 2) (đĽ + 3) 2đĽ 2 −9đĽ−35 4 3 1 4đđĽ 3đđĽ 1đđĽ Hence ∫ (đĽ+1)(đĽ−2)(đĽ+3) đđĽ = ∫ {(đĽ+1) − (đĽ−2) + (đĽ+3)} đđĽ = ∫ (đĽ+1) − ∫ (đĽ−2) + ∫ (đĽ+3) (đ + đ)đ (đ + đ) = đ đĽđ§(đ + đ) − đ đĽđ§(đ − đ) + đĽđ§(đ + đ) + đ đđ đĽđ§ { }+đ (đ − đ)đ đĽ 2 +1 3.Determine ∫ đĽ 2 −3đĽ+2 đđĽ. By dividing out (since the numerator and denominator are of the same degree) and resolving into đĽ 2 +1 2 5 partial fractions it was shown in (c) that đĽ 2 −3đĽ+2 ≡ 1 − (đĽ−1) + (đĽ−2). đĽ 2 +1 2 5 Hence ∫ đĽ 2 −3đĽ+2 đđĽ = ∫ [1 − (đĽ−1) + (đĽ−2)] đđĽ = đ − đ đĽđ§(đ − đ) + đ đĽđ§(đ − đ) + đ or (đ − đ)đ = đą + đĽđ§ { }+đ (đ − đ)đ 3 đĽ 3 −2đĽ 2 −4đĽ−4 4.Evaluate ∫2 đĽ 2 +đĽ−2 đđĽ, correct to 4 significant figures. 43 By dividing out and resolving into partial fractions it was shown in (d) that đĽ 3 − 2đĽ 2 − 4đĽ − 4 4 3 ≡đĽ−3+ − 2 đĽ +đĽ−2 (đĽ + 2) (đĽ − 1) 3 đĽ 3 −2đĽ 2 −4đĽ−4 Hence ∫2 đĽ 2 +đĽ−2 3 4 3 đđĽ = ∫2 {đĽ − 3 + (đĽ+2) − (đĽ−1)} đđĽ đĽ2 3 = [ − 3đĽ + 4 ln(đĽ + 2) − 3 ln(đĽ − 1)] 2 2 9 = ( − 9 + 4 ln 5 − 3 ln 2) − (2 − 6 + 4 ln 4 − 3 ln 1) = −đ. đđđ, 2 correct to 4 significant figures. 2đĽ+3 5.Determine ∫ (đĽ−2)2 đđĽ. 2đĽ+3 2 7 It was shown in (e) that (đĽ−2)2 ≡ (đĽ−2) + (đĽ−2)2 . 2đĽ+3 2 7 đ Thus ∫ (đĽ−2)2 đđĽ = ∫ {(đĽ−2) + (đĽ−2)2 } đđĽ = đ đĽđ§(đ − đ) − (đ−đ) + đ 5đĽ 2 −2đĽ−19 6.Find ∫ (đĽ+3)(đĽ−1)2 đđĽ. 5đĽ 2 −2đĽ−19 2 3 4 It was shown in (f) that (đĽ+3)(đĽ−1)2 ≡ (đĽ+3) + (đĽ−1) − (đĽ−1)2. 5đĽ 2 −2đĽ−19 2 3 4 4 Hence ∫ (đĽ+3)(đĽ−1)2 đđĽ = ∫ {(đĽ+3) + (đĽ−1) − (đĽ−1)2 } đđĽ = 2 ln(đĽ + 3) + 3 ln(đĽ − 1) + (đĽ−1) + đ đ or đĽđ§{(đ + đ)đ (đ − đ)đ } + (đ−đ) + đ. Practice đĽ 2 +1 Find ∫ đĽ 3 +2đĽ 2 +đĽ đđĽ. 1 3đĽ 2 +16đĽ+15 7.Evaluate ∫−2 (đĽ+3)3 đđĽ, correct to 4 significant figures. From the practice question above, 1 3đĽ 2 +16đĽ+15 Hence ∫−2 (đĽ+3)3 1 3đĽ 2 +16đĽ+15 (đĽ+3)3 3 ≡ 3 (đĽ+3) 2 6 2 6 − (đĽ+3)2 − (đĽ+3)3. 2 3 đđĽ = ∫−2 {(đĽ+3) − (đĽ+3)2 − (đĽ+3)3 } đđĽ = [3 ln(đĽ + 3) + (đĽ+3) + (đĽ+3)2 ] 44 1 −2 2 3 2 3 = (3 ln 4 + 4 + 16) − (3 ln 1 + 1 + 1) = −đ. đđđđ, correct to 4 significant figures. 8.Find ∫ 3+6đĽ+4đĽ 2 −2đĽ 3 đĽ 2 (đĽ 2 +3) đđĽ. 3+6đĽ+4đĽ 2 −2đĽ 3 From the practice question above, Thus∫ 3+6đĽ+4đĽ 2 −2đĽ 3 đĽ 2 (đĽ 2 +3) 2 đĽ 2 (đĽ 2 +3) 1 ≡ 2 đĽ 1 3−4đĽ + đĽ 2 + đĽ 2 +3. 3−4đĽ 2 1 3 4đĽ đđĽ = ∫ (đĽ + đĽ 2 + đĽ 2 +3) đđĽ = ∫ {đĽ + đĽ 2 + đĽ 2 +3 − đĽ 2 +3} đđĽ ∫ đĽ2 3 1 3 đĽ đđĽ = 3 ∫ đđĽ = đĄđđ−1 +3 đĽ 2 + (√3)2 √3 √3 4đĽ ∫ đĽ 2 +3 đđĽ is determined using the algebraic substitution đ˘ = đĽ 2 + 3. 2 1 3 4đĽ 1 Hence ∫ {đĽ + đĽ 2 + đĽ 2 +3 − đĽ 2 +3} đđĽ = 2 ln đĽ − đĽ + = đĽđ§( 3 √3 đĄđđ−1 đĽ √3 − 2 ln(đĽ 2 + 3) + đ đ đ đ đ −đ ) − + +đ √đđđđ đđ + đ đ √đ 1 9.Determine ∫ đ2 −đĽ 2 đđĽ. Using partial fractions, let đ2 1 1 đ´ đľ đ´(đ + đĽ) + đľ(đ − đĽ) ≡ ≡ + ≡ 2 (đ − đĽ)(đ + đĽ) (đ − đĽ) (đ + đĽ) (đ − đĽ)(đ + đĽ) −đĽ Then 1 ≡ A(a + x) + B(a − x) 1 1 Let x = a then A = 2đ. Let x = −a then B = 2đ 1 1 1 1 1 Hence ∫ đ2 −đĽ 2 đđĽ = ∫ 2đ [(đ−đĽ) + (đ+đĽ)] đđĽ = 2đ [− ln(đ − đĽ) + ln(đ + đĽ)] + đ = đ đ+đ đĽđ§( )+đ đđ đ−đ Exercise 1 Determine ∫ đĽ 2 −đ2 đđĽ. 45 Integration by parts From the product rule of differentiation: đ đđ˘ đđŁ (đ˘đŁ) = đŁ +đ˘ , đđĽ đđĽ đđĽ where u and v are both functions of x. đđŁ đ đđ˘ Rearranging gives: đ˘ đđĽ = đđĽ (đ˘đŁ) − đŁ đđĽ . Integrating both sides with respect to x gives: ∫đ˘ đđŁ đđŁ đ đđ˘ đđĽ = ∫ (đ˘đŁ) đđĽ − ∫ đŁ đđĽ đđĽ đđĽ đđĽ đđ˘ i.e. ∫ đ˘ đđĽ đđĽ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđĽ đđĽ đđ ∫ đ đ đ = đđ − ∫ đ đ đ This is known as the integration by parts formula and provides a method of integrating such products of simple functions as ∫ đĽđ đĽ đđĽ, ∫ đĄ sin đĄ đđĄ, ∫ đ đ cos đ đđ đđđ ∫ đĽ ln đĽ đđĽ. Given a product of two terms to integrate the initial choice is: ‘which part to make equal to u’ and ‘which part to make equal to v’. The choice must be such that the ‘u part’ becomes a constant after successive differentiation and the ‘dv part’ can be integrated from standard integrals. Invariable, the following rule holds: If a product to be integrated contains an algebraic term (such as x, đĄ 2 or 3θ) then this term is chosen as the u part. An exception to this rule is when a ‘lnx’ term is involved; in this case lnx is chosen as the ‘upart’. As a general guide, the acronym LIATE is used being abbreviation for the following functions: L – Logarithmic function I – Inverse functions A – Algebraic functions T – Trigonometric functions E – Exponential Functions The preceding function is taken as u while the remaining terms and dx form dv. Examples 1. Determine ∫ đĽ cos đĽ đđĽ. 46 From the integration by parts formula, ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ đđ˘ Let u = x, from which đđĽ = 1 đ. đ. đđ˘ = đđĽ. đżđđĄ đđŁ = cos đĽđđĽ, đđđđ đ¤âđđâ đŁ = ∫ cos đĽ đđĽ = sin đĽ. Expressions for u, du and v are now substituted into the ‘by parts’ formula as shown below. ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ ∫ đĽ cos đĽ đđĽ = (đĽ) (sin đĽ) − ∫(sin đĽ)( đđĽ) i.e. ∫ đĽ cos đĽ đđĽ = đĽ sin đĽ − (− cos đĽ) + đ = đ đŹđ˘đ§ đ + đđ¨đŹ đ + đ [This result may be checked by differentiating the right hand side] 2. Find∫ 3đĄđ 2đĄ đđĄ. Let u = 3t, from which 1 2 đđ˘ đđĄ = 3 đ. đ. đđ˘ = 3đđĄ. đżđđĄ đđŁ = đ 2đĄ đđĄ, đđđđ đ¤âđđâ đŁ = ∫ đ 2đĄ đđĄ = đ 2đĄ . Substituting into ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ gives: 1 1 3 3 3 3 1 ∫ 3đĄđ 2đĄ đđĄ = (3đĄ) ( đ 2đĄ ) − ∫ ( đ 2đĄ ) (3đđĄ) = đĄđ 2đĄ − ∫ đ 2đĄ đđĄ = đĄđ 2đĄ − ( đ 2đĄ ) + đ 2 2 2 2 2 2 2 = đ 3 2đĄ 3 đ 2đĄ đĄđ − ( ) + đ 2 2 2 đ Hence∫ đđđđđ đ đ = đ đđđ (đ − đ) + đ, which may be checked by differentiating. 47 đ 3.Evaluate ∫02 2đ sin đ đđ. đżđđĄ đ˘ = 2đ, đđđđ đ¤âđđâ, đđ˘ = 2, đ. đ. đđ˘ = 2đđ đđđ đđŁ = sin đđđ, đđđđ đ¤âđđâ đđ đŁ = ∫ sin đ đđ = − cos đ Substituting into ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ gives: ∫ 2đ sin đ đđ = (2đ)(− cos đ) − ∫(− cos đ)(2đđ) = −2đ cos đ + 2 ∫ cos đ đđ = −2đ cos đ + 2 sin đ + đ đ đ đ đ đ Hence ∫02 2đ sin đ đđ = [−2đ cos đ + 2 sin đ] 2 = [−2 ( 2 ) cos 2 + 2 sin 2 ] − [0 + 2 sin 0] 0 = (−0 + 2) − (0 + 0) = 2 đ đđđđ cos đ đ = 0 đđđ sin = 1. 2 2 1 4.Evaluate ∫0 5đĽđ 4đĽ đđĽ, correct to 3 significant figures. đđ˘ Let u = 5x, from which đđĽ = 5, i.e. du = 5dx and let đđŁ = đ 4đĽ đđĽ, from which, đŁ = ∫ đ 4đĽ đđĽ 1 = đ 4đĽ 4 Substituting into ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ gives: 1 4đĽ đ 4đĽ 5 4đĽ 5 5 4đĽ 5 đ 4đĽ 4đĽ ∫ 5đĽđ đđĽ = (5đĽ) ( đ ) − ∫ ( ) (5đđĽ) = đĽđ − ∫ đ đđĽ = đĽđ − ( ) + đ 4 4 4 4 4 4 4 5 1 = đ 4đĽ (đĽ − ) + đ 4 4 4đĽ 1 5 1 Hence∫0 5đĽđ 4đĽ đđĽ = [4 đ 4đĽ (đĽ − 4)] 5 1 5 1 15 15 1 = [4 đ 4 (1 − 4)] − [4 đ 0 (0 − 4)] = (16 đ 4 ) — 16 0 = 51.186 − 0.313 = 51.499 = đđ. đ, correct to 3 significant figures 5.Determine ∫ đĽ 2 sin đĽ đđĽ. đđ˘ Let u = đĽ 2 , from which, đđĽ = 2đĽ, i.e. du = 2xdx, and let dv = sinx dx, from which, đŁ = ∫ sin đĽ đđĽ = − cos đĽ 48 Substituting into ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ gives: ∫ đĽ 2 sin đĽ đđĽ = (đĽ 2 )(− cos đĽ) − ∫(− cos đĽ)(2đĽ đđĽ) = −đĽ 2 cos đĽ + 2 ∫ xcos đĽ đđĽ The integral, ∫ xcos đĽ đđĽ, is not a ‘standard integral’ and it can only be determined by using the integration by parts formula again. From example 1, ∫ xcos đĽ đđĽ = đĽ sin đĽ + cos đĽ Hence ∫ đĽ 2 sin đĽ đđĽ = −đĽ 2 cos đĽ + 2(đĽ sin đĽ + cos đĽ) + đ = −đĽ 2 cos đĽ + 2đĽ sin đĽ + 2 cos đĽ + đ = (đ − đđ ) đđ¨đŹ đ + đđ đŹđ˘đ§ đ + đ In general, if the algebraic term of a product is of power n, then the integration by parts formula is applied n times. 6.Find ∫ đĽ ln đĽ đđĽ. đđ˘ 1 The logarithmic function is chosen as the ‘u part’. Thus when u = lnx, then đđĽ = đĽ , i.e. đđ˘ = Letting đđŁ = đĽđđĽ gives đŁ = ∫ đĽ đđĽ = đĽ2 2 Substituting into ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ gives: đĽ2 đĽ 2 đđĽ đĽ 2 1 đĽ2 1 đĽ2 ∫ đĽ ln đĽ đđĽ = (ln đĽ) ( ) − ∫ ( ) = ln đĽ − ∫ đĽ đđĽ = ln đĽ − ( ) + đ 2 2 đĽ 2 2 2 2 2 Hence ∫ đĽ ln đĽ đđĽ = đđ đ đ (đĽđ§ đ − đ) + đ Practice 1.Determine ∫ ln đĽ đđĽ 2.Find ∫ đĽ 3 ln đĽ đđĽ 7. Determine ∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ. đđ˘ Let đ˘ = đĽ 2 , đđĽ = 2đĽ, đđ˘ = 2đĽđđĽ đđđ đđŁ = đ đĽ đđĽ đđ đŁ = ∫ đ đĽ đđĽ = đ đĽ . Substituting into ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘ gives: ∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ = đĽ 2 đ đĽ − ∫ đ đĽ (2đĽđđĽ) = đĽ 2 đ đĽ − 2 ∫ đĽđ đĽ đđĽ 49 đđĽ đĽ The integral, ∫ đĽđ đĽ đđĽ, is not a ‘standard integral’ and it can only be determined by using the integration by parts formula again. đđ˘ Let đ˘ = đĽ, đđĽ = 1, đđ˘ = đđĽ đđđ đđŁ = đ đĽ đđĽ đđ đŁ = ∫ đ đĽ đđĽ = đ đĽ . ∫ đĽđ đĽ đđĽ = đĽđ đĽ − ∫ đ đĽ đđĽ = đĽđ đĽ − đ đĽ Therefore∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ = đĽ 2 đ đĽ − 2(đĽđ đĽ − đ đĽ ) + đ = (đđ − đđ − đ)đđ + đ Note that the integration by parts formula is applied twice Reduction Formulae When using integration by parts, an integral such as∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ requires integration by parts twice. Similarly, ∫ đĽ 3 đ đĽ đđĽ requires integration by parts three times. Thus, integrals like ∫ đĽ 5 đ đĽ đđĽ, ∫ đĽ 6 cos đĽ đđĽ đđđ ∫ đĽ 8 sin đĽ đđĽ for example, would take a long time to determine using integration by parts. Reduction formulae provide a quicker method for determining such integrals and the method is demonstrated below. Using reduction formulae for integrals of the form∫ đđ đđ đ đ To determine∫ đĽ đ đ đĽ đđĽ using integration by parts, let đ˘ = đĽ đ from which, đđ˘ = đđĽ đ−1 đđđ đđ˘ = đđĽ đ−1 đđĽ; đđŁ = đ đĽ đđĽ đđđđ đ¤âđđâ đŁ = ∫ đ đĽ đđĽ = đ đĽ đđĽ Thus, ∫ đĽ đ đ đĽ đđĽ = đĽ đ đ đĽ − ∫ đ đĽ đđĽ đ−1 đđĽ, using the integration by parts formula, i.e. ∫ đĽ đ đ đĽ đđĽ = đĽ đ đ đĽ − đ ∫ đĽ đ−1 đ đĽ đđĽ. The integral on the far right is seen to be of the same form as the integral on the left-hand side, except that n has been replaced by n−1. Thus, if we let, ∫ đĽ đ đ đĽ đđĽ = đźđ , đĄâđđ ∫ đĽ đ−1 đ đĽ đđĽ = đźđ−1 . Hence ∫ đĽ đ đ đĽ đđĽ = đĽ đ đ đĽ − đ ∫ đĽ đ−1 đ đĽ đđĽ can be written as : đźđ = đĽ đ đ đĽ − đđźđ−1 … (1) Equation (1) is an example of a reduction formula since it expresses an integral in n in terms of the same integral in n−1. Examples 50 1. Determine∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ using a reduction formula. Using equation (1) with n = 2 gives: ∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ = đź2 = đĽ 2 đ đĽ − 2đź1 ; and đź1 = đĽ1 đ đĽ − 1đź0 đź0 = ∫ đĽ 0 đ đĽ đđĽ = ∫ đ đĽ đđĽ = đ đĽ + đ ′ Hence đź2 = đĽ 2 đ đĽ − 2[đĽ1 đ đĽ − 1đź0 ] = đĽ 2 đ đĽ − 2[đĽ1 đ đĽ − 1(đ đĽ + đ ′ )] = đĽ 2 đ đĽ − 2đĽđ đĽ + 2đ đĽ + đ Thus∫ đĽ 2 đ đĽ đđĽ = (đđ − đđ − đ)đđ + đ Notice that the constant of integration is added at the last step with indefinite integrals. 2. Use a reduction formula to determine ∫ đĽ 3 đ đĽ đđĽ. From equation (1), đźđ = đĽ đ đ đĽ − đđźđ−1 . Hence ∫ đĽ 3 đ đĽ đđĽ = đź3 = đĽ 3 đ đĽ − 3đź2 đź2 = đĽ 2 đ đĽ − 3đź1 đź1 = đĽ1 đ đĽ − 1đź0 and đź0 = ∫ đĽ 0 đ đĽ đđĽ = ∫ đ đĽ đđĽ = đ đĽ Thus ∫ đĽ 3 đ đĽ đđĽ = đĽ 3 đ đĽ − 3[đĽ 2 đ đĽ − 2đź1 ] = đĽ 3 đ đĽ − 3[đĽ 2 đ đĽ − 2(đĽ1 đ đĽ − 1đź0 )] = đĽ 3 đ đĽ − 3[đĽ 2 đ đĽ − 2(đĽ1 đ đĽ − 1đ đĽ )] = đĽ 3 đ đĽ − 3đĽ 2 đ đĽ + 6(đĽ1 đ đĽ − 1đ đĽ ) = đĽ 3 đ đĽ − 3đĽ 2 đ đĽ + 6(đĽ1 đ đĽ − 1đ đĽ ) = đĽ 3 đ đĽ − 3đĽ 2 đ đĽ + 6đĽđ đĽ − 6đ đĽ i.e. ∫ đĽ 3 đ đĽ đđĽ = đĽ 3 đ đĽ − 3đĽ 2 đ đĽ + 6đĽđ đĽ − 6đ đĽ + đ = đđ (đđ − đđđ + đđ − đ) + đ Using reduction formulae for integrals of the form∫ đđ đđđ đ đ đ đđđ ∫ đđ đđđ đ đ đ (a) ∫ đđ đđđ đ đ đ Let đźđ = ∫ đĽ đ cos đĽ đđĽ then, using integration by parts: if đ˘ = đĽ đ đĄâđđ đđ˘ đđĽ = đđĽ đ−1 đđđ đđ˘ = đđĽ đ−1 đđĽ đđđ đđ đđŁ = cos đĽđđĽ đĄâđđ đŁ = ∫ cos đĽ đđĽ = sin đĽ 51 Using the integration by parts formula ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘, đźđ = đĽ đ sin đĽ − ∫(sin đĽ)đđĽ đ−1 đđĽ = đĽ đ sin đĽ − đ ∫ đĽ đ−1 sin đĽ đđĽ Using integration by parts again, this time with đ˘ = đĽ đ−1 đđ˘ = (đ − 1)đĽ đ−2 , đđđ đđŁ = sin đĽđđĽ đđđđ đ¤âđđâ đŁ = ∫ sin đĽ đđĽ = − cos đĽ đđĽ Hence đźđ = đĽ đ sin đĽ − đ[đĽ đ−1 (− cos đĽ) − ∫(− cos đĽ)(đ − 1)đĽ đ−2 đđĽ] = đĽ đ sin đĽ + đđĽ đ−1 cos đĽ − đ(đ − 1) ∫ đĽ đ−2 cos đĽ đđĽ i.e. đ°đ = đđ đŹđ˘đ§ đ + đđđ−đ đđ¨đŹ đ − đ(đ − đ)đ°đ−đ … (2) Example Use a reduction formula to determine ∫ đĽ 2 cos đĽ đđĽ. Using the reduction formula of equation (2): ∫ đĽ 2 cos đĽ đđĽ = đź2 = đĽ 2 sin đĽ + 2đĽ1 cos đĽ − 2(1)đź0 đđđ đź0 = ∫ đĽ 0 cos đĽ đđĽ = ∫ cos đĽ đđĽ = đ đđđĽ Hence ∫ đĽ 2 cos đĽ đđĽ = đđ đŹđ˘đ§ đ + đđ đđ¨đŹ đ − đ đŹđ˘đ§ đ + đ (b) ∫ đđ đđđ đ đ đ Let đźđ = ∫ đĽ đ sin đĽ đđĽ then, using integration by parts: if đ˘ = đĽ đ đĄâđđ đđ˘ đđĽ = đđĽ đ−1 đđđ đđ˘ = đđĽ đ−1 đđĽ đđđ đđ đđŁ = sin đĽđđĽ đĄâđđ đŁ = ∫ sin đĽ đđĽ = − cos đĽ Using the integration by parts formula ∫ đ˘ đđŁ = đ˘đŁ − ∫ đŁ đđ˘, ∫ đĽ đ sin đĽ đđĽ = đźđ = đĽ đ (−cos đĽ) − ∫(−cos đĽ)đđĽ đ−1 đđĽ = −đĽ đ cos đĽ + đ ∫ đĽ đ−1 cos đĽ đđĽ Using integration by parts again, this time with đ˘ = đĽ đ−1 đđ˘ = (đ − 1)đĽ đ−2 , đđđ đđŁ = cos đĽđđĽ đđđđ đ¤âđđâ đŁ = ∫ cos đĽ đđĽ = sin đĽ đđĽ 52 Hence đźđ = −đĽ đ cos đĽ + đ[đĽ đ−1 (sin đĽ) − ∫(sin đĽ)(đ − 1)đĽ đ−2 đđĽ] = −đĽ đ cos đĽ + đđĽ đ−1 sin đĽ − đ(đ − 1) ∫ đĽ đ−2 sin đĽ đđĽ i.e. đ°đ = −đđ đđ¨đŹ đ + đđđ−đ đŹđ˘đ§ đ − đ(đ − đ)đ°đ−đ … (3) Example Use a reduction formula to determine ∫ đĽ 3 sin đĽ đđĽ. Using equation (3), ∫ đĽ 3 sin đĽ đđĽ = đź3 = −đĽ 3 cos đĽ + 3đĽ 2 sin đĽ − (3)(2)đź1 đđđ đź1 = −đĽ1 cos đĽ + 1đĽ 0 sin đĽ = −đĽđđđ đĽ + sin đĽ Hence ∫ đĽ 3 sin đĽ đđĽ = −đĽ 3 cos đĽ + 3đĽ 2 sin đĽ − 6[−đĽđđđ đĽ + sin đĽ] = −đđ đđ¨đŹ đ + đđđ đŹđ˘đ§ đ + đđ đđ¨đŹ đ − đ đŹđ˘đ§ đ + đ 53