Funktion $$$\sqrt{1 - x^{2}}$$$ integraali
Aiheeseen liittyvä laskin: Määrättyjen ja epäoleellisten integraalien laskin
Syötteesi
Määritä $$$\int \sqrt{1 - x^{2}}\, dx$$$.
Ratkaisu
Olkoon $$$x=\sin{\left(u \right)}$$$.
Tällöin $$$dx=\left(\sin{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = \cos{\left(u \right)} du$$$ (ratkaisuvaiheet ovat nähtävissä »).
Lisäksi seuraa, että $$$u=\operatorname{asin}{\left(x \right)}$$$.
Integroituva funktio muuttuu
$$$\sqrt{1 - x^{2}} = \sqrt{1 - \sin^{2}{\left( u \right)}}$$$
Käytä identiteettiä $$$1 - \sin^{2}{\left( u \right)} = \cos^{2}{\left( u \right)}$$$:
$$$\sqrt{1 - \sin^{2}{\left( u \right)}}=\sqrt{\cos^{2}{\left( u \right)}}$$$
Olettamalla, että $$$\cos{\left( u \right)} \ge 0$$$, saamme seuraavaa:
$$$\sqrt{\cos^{2}{\left( u \right)}} = \cos{\left( u \right)}$$$
Näin ollen,
$${\color{red}{\int{\sqrt{1 - x^{2}} d x}}} = {\color{red}{\int{\cos^{2}{\left(u \right)} d u}}}$$
Sovella potenssin alentamiskaavaa $$$\cos^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{1}{2}$$$ käyttäen $$$\alpha= u $$$:
$${\color{red}{\int{\cos^{2}{\left(u \right)} d u}}} = {\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 u \right)}}{2} + \frac{1}{2}\right)d u}}}$$
Sovella vakiokertoimen sääntöä $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ käyttäen $$$c=\frac{1}{2}$$$ ja $$$f{\left(u \right)} = \cos{\left(2 u \right)} + 1$$$:
$${\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 u \right)}}{2} + \frac{1}{2}\right)d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(\cos{\left(2 u \right)} + 1\right)d u}}{2}\right)}}$$
Integroi termi kerrallaan:
$$\frac{{\color{red}{\int{\left(\cos{\left(2 u \right)} + 1\right)d u}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\left(\int{1 d u} + \int{\cos{\left(2 u \right)} d u}\right)}}}{2}$$
Sovella vakiosääntöä $$$\int c\, du = c u$$$ käyttäen $$$c=1$$$:
$$\frac{\int{\cos{\left(2 u \right)} d u}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{1 d u}}}}{2} = \frac{\int{\cos{\left(2 u \right)} d u}}{2} + \frac{{\color{red}{u}}}{2}$$
Olkoon $$$v=2 u$$$.
Tällöin $$$dv=\left(2 u\right)^{\prime }du = 2 du$$$ (vaiheet ovat nähtävissä ») ja saamme, että $$$du = \frac{dv}{2}$$$.
Siis,
$$\frac{u}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(2 u \right)} d u}}}}{2} = \frac{u}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(v \right)}}{2} d v}}}}{2}$$
Sovella vakiokertoimen sääntöä $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ käyttäen $$$c=\frac{1}{2}$$$ ja $$$f{\left(v \right)} = \cos{\left(v \right)}$$$:
$$\frac{u}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(v \right)}}{2} d v}}}}{2} = \frac{u}{2} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(v \right)} d v}}{2}\right)}}}{2}$$
Kosinin integraali on $$$\int{\cos{\left(v \right)} d v} = \sin{\left(v \right)}$$$:
$$\frac{u}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(v \right)} d v}}}}{4} = \frac{u}{2} + \frac{{\color{red}{\sin{\left(v \right)}}}}{4}$$
Muista, että $$$v=2 u$$$:
$$\frac{u}{2} + \frac{\sin{\left({\color{red}{v}} \right)}}{4} = \frac{u}{2} + \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(2 u\right)}} \right)}}{4}$$
Muista, että $$$u=\operatorname{asin}{\left(x \right)}$$$:
$$\frac{\sin{\left(2 {\color{red}{u}} \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{u}}}{2} = \frac{\sin{\left(2 {\color{red}{\operatorname{asin}{\left(x \right)}}} \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\operatorname{asin}{\left(x \right)}}}}{2}$$
Näin ollen,
$$\int{\sqrt{1 - x^{2}} d x} = \frac{\sin{\left(2 \operatorname{asin}{\left(x \right)} \right)}}{4} + \frac{\operatorname{asin}{\left(x \right)}}{2}$$
Käyttämällä kaavoja $$$\sin{\left(2 \operatorname{asin}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{1 - \alpha^{2}}$$$, $$$\sin{\left(2 \operatorname{acos}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{1 - \alpha^{2}}$$$, $$$\cos{\left(2 \operatorname{asin}{\left(\alpha \right)} \right)} = 1 - 2 \alpha^{2}$$$, $$$\cos{\left(2 \operatorname{acos}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha^{2} - 1$$$, $$$\sinh{\left(2 \operatorname{asinh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{\alpha^{2} + 1}$$$, $$$\sinh{\left(2 \operatorname{acosh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha \sqrt{\alpha - 1} \sqrt{\alpha + 1}$$$, $$$\cosh{\left(2 \operatorname{asinh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha^{2} + 1$$$, $$$\cosh{\left(2 \operatorname{acosh}{\left(\alpha \right)} \right)} = 2 \alpha^{2} - 1$$$, sievennä lauseke:
$$\int{\sqrt{1 - x^{2}} d x} = \frac{x \sqrt{1 - x^{2}}}{2} + \frac{\operatorname{asin}{\left(x \right)}}{2}$$
Lisää integrointivakio:
$$\int{\sqrt{1 - x^{2}} d x} = \frac{x \sqrt{1 - x^{2}}}{2} + \frac{\operatorname{asin}{\left(x \right)}}{2}+C$$
Vastaus
$$$\int \sqrt{1 - x^{2}}\, dx = \left(\frac{x \sqrt{1 - x^{2}}}{2} + \frac{\operatorname{asin}{\left(x \right)}}{2}\right) + C$$$A