stringtranslate.com

Интеграл секущей функции

График функции секанса (красный) и ее первообразной (синий)

В исчислении интеграл секущей функции можно оценить с помощью различных методов, и существует множество способов выражения первообразной , все из которых можно показать эквивалентными с помощью тригонометрических тождеств .

Эта формула полезна для оценки различных тригонометрических интегралов . В частности, ее можно использовать для оценки интеграла секанса в кубе , который, хотя и кажется особенным, довольно часто встречается в приложениях. [1]

Определенный интеграл секущей функции, начиная с есть обратная функция Гудермана , Для численных приложений все вышеприведенные выражения приводят к потере значимости для некоторых аргументов. Альтернативное выражение в терминах обратного гиперболического синуса arsinh численно хорошо ведет себя для действительных аргументов : [2]

Интеграл секущей функции исторически был одним из первых интегралов такого типа, когда-либо оцененных, до большей части развития интегрального исчисления. Он важен, поскольку является вертикальной координатой проекции Меркатора , используемой для морской навигации с постоянным компасным пеленгом .

Доказательство того, что различные первообразные эквивалентны

Тригонометрические формы

Три общих выражения для интеграла секанса,

эквивалентны, потому что

Доказательство: мы можем отдельно применить замену тангенса половинного угла к каждой из трех форм и показать, что они эквивалентны одному и тому же выражению в терминах При этой замене и

Первый,

Второй,

В-третьих, используя тождество сложения касательных

Таким образом, все три выражения описывают одну и ту же величину.

Традиционное решение для ординаты проекции Меркатора можно записать без знаков абсолютной величины , поскольку широта лежит между и ,

Гиперболические формы

Позволять

Поэтому,

История

Интеграл секущей функции был одной из «выдающихся открытых проблем середины семнадцатого века», решенной в 1668 году Джеймсом Грегори . [3] Он применил свой результат к проблеме, касающейся навигационных таблиц. [1] В 1599 году Эдвард Райт оценил интеграл численными методами — то, что мы сегодня называем суммами Римана . [4] Он хотел получить решение для целей картографии — в частности, для построения точной проекции Меркатора . [3] В 1640-х годах Генри Бонд, преподаватель навигации, геодезии и других математических дисциплин, сравнил численно вычисленную Райтом таблицу значений интеграла секущей с таблицей логарифмов функции тангенса и, следовательно, предположил , что [3]

Эта гипотеза стала широко известна, и в 1665 году о ней узнал Исаак Ньютон . [5]

Оценки

Стандартной заменой (подход Грегори)

Стандартный метод оценки секанс-интеграла, представленный в различных источниках, включает в себя умножение числителя и знаменателя на sec  θ + tan  θ , а затем использование подстановки u = sec  θ + tan  θ . Эта подстановка может быть получена из производных секанса и тангенса, сложенных вместе, которые имеют секанс в качестве общего множителя. [6]

Начиная с

добавление их дает

Производная суммы, таким образом, равна сумме, умноженной на sec  θ . Это позволяет умножить sec  θ на sec  θ + tan  θ в числителе и знаменателе и выполнить следующие замены:

Интеграл вычисляется следующим образом:

как и утверждалось. Это была формула, открытая Джеймсом Грегори. [1]

С помощью простейших дробей и подстановки (подход Барроу)

Хотя Грегори доказал эту гипотезу в 1668 году в своих Exercitationes Geometricae , [7] доказательство было представлено в форме, которая делает его почти невозможным для понимания современными читателями; Исаак Барроу в своих Lectiones Geometricae 1670 года [8] дал первое «понятное» доказательство, хотя даже оно было «изложено в геометрической идиоме того времени». [3] Доказательство результата Барроу было самым ранним использованием простейших дробей в интегрировании. [3] Адаптированное к современным обозначениям доказательство Барроу начиналось следующим образом:

Подставляя u = sin  θ , du = cos  θ , уменьшаем интеграл до

Поэтому,

как и ожидалось. Принимать абсолютное значение не обязательно, поскольку и всегда неотрицательны для действительных значений

С помощью замены тангенса на половинный угол

Стандарт

При замене тангенса половинного угла [9]

Поэтому интеграл секущей функции равен

как и прежде.

Нестандартный

Интеграл также можно вывести, используя несколько нестандартную версию замены тангенса на половинный угол, которая проще в случае этого конкретного интеграла, опубликованного в 2013 году [10] , и выглядит следующим образом:

Замена:

Двумя последовательными заменами

Интеграл также можно решить, манипулируя подынтегральным выражением и дважды подставляя его. Используя определение sec  θ = 1/соз  θ и тождество cos 2 θ + sin 2 θ = 1 , интеграл можно переписать как

Подставляя u = sin  θ , du = cos  θ dθ, уменьшаем интеграл до

Приведенный интеграл можно вычислить, подставив u = tanh  t , du = sech 2 t dt , а затем используя тождество 1 − tanh 2 t = sech 2 t .

Интеграл теперь сводится к простому интегралу, и обратная подстановка дает

что является одной из гиперболических форм интеграла.

Аналогичную стратегию можно использовать для интегрирования функций косеканса , гиперболического секанса и гиперболического косеканса .

Другие гиперболические формы

Также можно найти две другие гиперболические формы напрямую, снова умножив и разделив на удобный член:

где означает, что , поскольку Подставляя u = tan  θ , du = sec 2 θ , сводится к стандартному интегралу:

где sgnфункция знака .

Так же:

Подставляя u = | sec  θ | , du = | sec  θ | tan  θ , сводится к стандартному интегралу:

Использование комплексной экспоненциальной формы

При замене

Таким образом, интеграл можно решить следующим образом:

Поскольку константа интегрирования может быть любой, дополнительный постоянный член может быть поглощен ею. Наконец, если тета имеет действительное значение, мы можем указать это с помощью скобок абсолютного значения, чтобы привести уравнение к его наиболее знакомой форме:

Гудермановцы и Ламбертовцы

Функция Гудермана связывает площадь кругового сектора с площадью гиперболического сектора через общую стереографическую проекцию . Если удвоенная площадь синего гиперболического сектора равна ψ , то удвоенная площадь красного кругового сектора равна ϕ = gd ψ . Удвоенная площадь фиолетового треугольника равна стереографической проекции s = tan  1/2ϕ = тангенс  1/2ψ . Синяя точка имеет координаты (cosh  ψ , sinh  ψ ) . Красная точка имеет координаты (cos  ϕ , sin  ϕ ). Фиолетовая точка имеет координаты (0, s ).

Интеграл гиперболической секанс-функции определяет функцию Гудермана :

Интеграл секущей функции определяет функцию Ламберта, которая является обратной функцией Гудермана:

Эти функции встречаются в теории картографических проекций: проекция Меркатора точки на сфере с долготой λ и широтой ϕ может быть записана [11] как:

Смотрите также

Примечания

  1. ^ abc Стюарт, Джеймс (2012). "Раздел 7.2: Тригонометрические интегралы". Исчисление - Ранние трансцендентные . Cengage Learning. стр. 475–6. ISBN 978-0-538-49790-9.
  2. ^ Например, эта форма используется в Karney, Charles FF (2011). «Поперечная проекция Меркатора с точностью до нескольких нанометров». Journal of Geodesy . 85 : 475–485.
  3. ^ abcde V. Фредерик Рики и Филип М. Тучинский, Приложение географии к математике: история интеграла секущей в журнале Mathematics Magazine , том 53, номер 3, май 1980 г., страницы 162–166.
  4. Эдвард Райт , Некоторые ошибки в навигации, возникающие вследствие обычного неправильного составления или отображения морских карт, компаса, крестового стержня и таблиц склонения Солнца и неподвижных звезд, обнаруженные и исправленные , Валентин Симмс, Лондон, 1599.
  5. HW Turnbull, редактор, The Correspondence of Isaac Newton , Cambridge University Press, 1959–1960, том 1, страницы 13–16 и том 2, страницы 99–100.

    Д. Т. Уайтсайд , редактор, «Математические труды Исаака Ньютона» , Cambridge University Press, 1967, том 1, страницы 466–467 и 473–475.

  6. ^ Фельдман, Джоэл. "Интеграция sec x и sec3 x" (PDF) . Математический факультет Университета Британской Колумбии .

    «Интеграл секанса». MIT OpenCourseWare .

  7. ^ Грегори, Джеймс (1668). «Analogia Inter Lineam Meridianam Planispherii Nautici & Tangentes Artificiales Geometricè Demonstrata и т. д.» [Аналогия между меридианной линией морской планисферы и геометрически продемонстрированными искусственными касательными и т. д.]. Exercitationes Geometricae [ Геометрические упражнения ] (на латыни). Мозес Питт. стр. 14–24.
  8. ^ Барроу, Исаак (1674) [1670]. «Lectiones геометрические: XII, Приложение I». Lectiones Opticae & Geometricae (на латыни). Типис Гильельми Годбид. стр. 110–114.На английском языке «Лекция XII, Приложение I». Геометрические лекции Айзека Барроу . Перевод Чайлда, Джеймса Марка. Открытый суд. 1916. С. 165–169.
  9. ^ Стюарт, Джеймс (2012). «Раздел 7.4: Интеграция рациональных функций с помощью простейших дробей». Calculus: Early Transcendentals (7-е изд.). Belmont, CA, USA: Cengage Learning. стр. 493. ISBN 978-0-538-49790-9.
  10. ^ Харди, Майкл (2013). "Эффективность антидифференцирования секущей функции" . American Mathematical Monthly . 120 (6): 580.
  11. ^ Ли, Л. П. (1976). Конформные проекции на основе эллиптических функций . Cartographica Monographs . Том 16. Торонто: BV Gutsell, Йоркский университет. ISBN 0-919870-16-3.Приложение № 1 к журналу The Canadian Cartographer 13.

Ссылки