חישוב אינטגרל של סינוס בריבוע איקס

כיצד מחשבים את האינטגרל של סינוס בריבוע איקס, כלומר את האינטגרל הבא:

\int \sin^2(x)dx

אפשר להשתמש בזהות הטריגונומטרית הבאה:

\sin^2(x)=\frac{1}{2}(1-\cos(2x))

נציב באינטגרל, כך שנקבל:

\begin{align*} \int\sin^2(x)dx&=\int\frac{1}{2}(1-\cos(2x))dx\\ &=\frac{1}{2}x-\frac{1}{2}\cdot\frac{\sin(2x)}{2}+C\\ &=\frac{1}{2}x-\frac{1}{4}\sin(2x)+C \end{align*}

כאשר השתמשנו בכך שמתקיים \int adx=ax+C וגם \int \cos(a\cdot x)dx=\frac{\sin(a\cdot x)}{a}+C.

אפשר להשתמש באינטגרציה בחלקים ובזהות הטריגונומטרית \sin^2(x)+\cos^2(x)=1. נגדיר: f(x)=\sin(x) וגם g(x)=-\cos(x). לפיכך נקבל f'(x)=\cos(x) וגם g'(x)=\sin(x). ע"פ שיטת אינטגרציה בחלקים נקבל:

\begin{align*} \int \sin^2(x)dx&=\int\sin(x)\sin(x)dx\\ &=\int f(x)\cdot g'(x)dx\\ &=f(x)\cdot g(x)-\int f'(x)\cdot g(x)dx\\ &=\sin(x)(-\cos(x))-\int\cos(x)(-\cos(x))dx\\ &=-\sin(x)\cos(x)+\int\cos^2(x)dx\\ &=-\sin(x)\cos(x)+\int(1-\sin^2(x))dx\\ &=-\sin(x)\cos(x)+\int1dx-\int\sin^2(x)dx\\ \end{align*}

נעביר אגפים, כך שנקבל:

2\int\sin^2(x)dx=-\sin(x)\cos(x)+\int 1dx\Leftrightarrow \int\sin^2(x)dx=-\frac{1}{2}\sin(x)\cos(x)+\frac{x}{2}+C

כדי לקבל את התשובה של @CommunityBot, אפשר להשתמש בזהות הטריגונומטרית של זווית כפולה:

\sin(2x)=2\sin(x)\cos(x)

כך שנקבל:

\int\sin^2(x)dx=-\frac{\sin(2x)}{4}+\frac{x}{2}+C

אפשר להשתמש בקשר לפונקציה המעריכית המרוכבת:

\sin (x) = \frac {e^{ix} - e^{-ix}}{2i}

לכן נקבל:

\sin^2 (x) = \frac {e^{2ix} + e^{-2ix}-2}{-4} = -\frac {e^{2ix}}{4} - \frac {e^{-2ix}}{4} +\frac{1}{2}

נחשב את האינטגרל:

\begin{align*} \int\sin^2(x)dx&=\int\left(-\frac {e^{2ix}}{4} - \frac {e^{-2ix}}{4} +\frac{1}{2}\ \right)dx\\ &=\frac {-e^{2ix} + e^{-2ix}}{8} + \frac{1}{2} x +C\\ &=-\frac {\sin (2x)}{4} + \frac{1}{2} x+C \end{align*}

נסמן I=\int \sin^2(x)dx וגם J=\int \cos^2(x)dx. לכך נקבל (נשתמש בזהות \sin^2(x)+\cos^2(x)=1):

I+J=\int (\sin^2(x)+\cos^2(x))dx=\int 1dx=x+C_1

כמו כן, נקבל (נשתמש בזהות \cos^2(x)-\sin^2(x)=\cos(2x)):

J-I=\int(\cos^2(x)-\sin^2(x))dx=\int\cos(2x)dx=\frac{1}{2}\sin(2x)+C_2

נחסר את המשוואה השנייה מהמשוואה הראשונה כך שנקבל:

2I=x-\frac{1}{2}\sin(2x)+C\Leftrightarrow I=\frac{x}{2}-\frac{1}{4}\sin(2x)+C

מכך נובע:

\int\sin^2(x)dx=\frac{x}{2}-\frac{1}{4}\sin(2x)+C