Funktion $$$\tan^{5}{\left(x \right)}$$$ integraali
Aiheeseen liittyvä laskin: Määrättyjen ja epäoleellisten integraalien laskin
Syötteesi
Määritä $$$\int \tan^{5}{\left(x \right)}\, dx$$$.
Ratkaisu
Olkoon $$$u=\tan{\left(x \right)}$$$.
Tällöin $$$x=\operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$ ja $$$dx=\left(\operatorname{atan}{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = \frac{du}{u^{2} + 1}$$$ (vaiheet ovat nähtävissä »).
Näin ollen,
$${\color{red}{\int{\tan^{5}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{u^{5}}{u^{2} + 1} d u}}}$$
Koska osoittajan aste ei ole pienempi kuin nimittäjän aste, suorita polynomien jakokulma (vaiheet voidaan nähdä »):
$${\color{red}{\int{\frac{u^{5}}{u^{2} + 1} d u}}} = {\color{red}{\int{\left(u^{3} - u + \frac{u}{u^{2} + 1}\right)d u}}}$$
Integroi termi kerrallaan:
$${\color{red}{\int{\left(u^{3} - u + \frac{u}{u^{2} + 1}\right)d u}}} = {\color{red}{\left(- \int{u d u} + \int{u^{3} d u} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u}\right)}}$$
Sovella potenssisääntöä $$$\int u^{n}\, du = \frac{u^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ käyttäen $$$n=3$$$:
$$- \int{u d u} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u} + {\color{red}{\int{u^{3} d u}}}=- \int{u d u} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u} + {\color{red}{\frac{u^{1 + 3}}{1 + 3}}}=- \int{u d u} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u} + {\color{red}{\left(\frac{u^{4}}{4}\right)}}$$
Sovella potenssisääntöä $$$\int u^{n}\, du = \frac{u^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ käyttäen $$$n=1$$$:
$$\frac{u^{4}}{4} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u} - {\color{red}{\int{u d u}}}=\frac{u^{4}}{4} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u} - {\color{red}{\frac{u^{1 + 1}}{1 + 1}}}=\frac{u^{4}}{4} + \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u} - {\color{red}{\left(\frac{u^{2}}{2}\right)}}$$
Olkoon $$$v=u^{2} + 1$$$.
Tällöin $$$dv=\left(u^{2} + 1\right)^{\prime }du = 2 u du$$$ (vaiheet ovat nähtävissä ») ja saamme, että $$$u du = \frac{dv}{2}$$$.
Siis,
$$\frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u}}} = \frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{1}{2 v} d v}}}$$
Sovella vakiokertoimen sääntöä $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ käyttäen $$$c=\frac{1}{2}$$$ ja $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$:
$$\frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{1}{2 v} d v}}} = \frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{v} d v}}{2}\right)}}$$
Funktion $$$\frac{1}{v}$$$ integraali on $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$:
$$\frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{2} = \frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{2}$$
Muista, että $$$v=u^{2} + 1$$$:
$$\frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{2} = \frac{u^{4}}{4} - \frac{u^{2}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u^{2} + 1\right)}}}\right| \right)}}{2}$$
Muista, että $$$u=\tan{\left(x \right)}$$$:
$$\frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{u}}^{2} \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{u}}^{2}}{2} + \frac{{\color{red}{u}}^{4}}{4} = \frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{2} \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{2}}{2} + \frac{{\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{4}}{4}$$
Näin ollen,
$$\int{\tan^{5}{\left(x \right)} d x} = \frac{\ln{\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1 \right)}}{2} + \frac{\tan^{4}{\left(x \right)}}{4} - \frac{\tan^{2}{\left(x \right)}}{2}$$
Lisää integrointivakio:
$$\int{\tan^{5}{\left(x \right)} d x} = \frac{\ln{\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1 \right)}}{2} + \frac{\tan^{4}{\left(x \right)}}{4} - \frac{\tan^{2}{\left(x \right)}}{2}+C$$
Vastaus
$$$\int \tan^{5}{\left(x \right)}\, dx = \left(\frac{\ln\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1\right)}{2} + \frac{\tan^{4}{\left(x \right)}}{4} - \frac{\tan^{2}{\left(x \right)}}{2}\right) + C$$$A