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최근 수정 시각 : 2022-03-10 22:17:54

바이어슈트라스 치환적분법

1. 개요

Weierstrass Substitution

바이어슈트라스 치환적분법은 적분이 복잡한 삼각함수식을 대수적 변수로 치환해 적분하는 방식이다.

독일 수학자 카를 바이어슈트라스가 고안했다.

2. 정의

다음과 같은 임의의 함수의 적분이 다소 복잡하다고 정의하자,
[math(\displaystyle \int f(sin\,x , cos\,x) dx)]


[math(t=tan(\frac{x}{2}))]을 적용하면, 임의의 함수는 다음과 같은 대수적 형식으로 치환된다.

[math(\displaystyle \int f((\dfrac{2t}{1+t^2}), (\dfrac{1-t^2}{1+t^2})) \dfrac{2}{1+t^2}dt)]

2.1. 증명

위의 정의 문단 함수를 상기하면,
[math(\displaystyle sin\,x=2sin(\dfrac{x}{2})cos(\dfrac{x}{2})=2\dfrac{sin(\dfrac{x}{2})cos^2(\dfrac{x}{2})}{cos(\dfrac{x}{2})})]
[math(\displaystyle =2\dfrac{tan(\dfrac{x}{2})}{sec^2(\dfrac{x}{2})})]

단, [math(\displaystyle sec^2(\dfrac{x}{2})-tan^2(\dfrac{x}{2})=1)]이므로,

[math(\displaystyle sin\,x=\dfrac{2t}{1+t^2})].

[math(\displaystyle cos\,x=cos^2(\dfrac{x}{2})-sin^2(\dfrac{x}{2}))]

[math(\displaystyle csc^2(\dfrac{x}{2})-cot^2(\dfrac{x}{2})=1)]이므로,

[math(\displaystyle cos\,x=\dfrac{1}{1+t^2}-\dfrac{t^2}{1+t^2}=\dfrac{1-t^2}{1+t^2})]

삼각함수 치환적분을 사용하면 [math(dx=\dfrac{2}{1+t^2}dt)].

그러므로, [math(\displaystyle \int f((\dfrac{2t}{1+t^2}), (\dfrac{1-t^2}{1+t^2})) \dfrac{2}{1+t^2}dt)]가 정의된다.

3. 활용

[math(\int \dfrac{1}{n_1cos\,x+n_2sin\,x} dx)]꼴 적분에서 유용하게 쓸수 있다. 단, 계산식은 복잡한 편. 시험에 나오기라도 하면 계산 시간때문에 시간을 많이 잡아먹는다.

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