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.
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 dθ , уменьшаем интеграл до
Поэтому,
как и ожидалось. Принимать абсолютное значение не обязательно, поскольку и всегда неотрицательны для действительных значений
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.
Подставляя u = | sec θ | , du = | sec θ | tan θ dθ , 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
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:
^ abc Стюарт, Джеймс (2012). "Раздел 7.2: Тригонометрические интегралы". Исчисление - Ранние трансцендентные . Cengage Learning. стр. 475–6. ISBN978-0-538-49790-9.
^ Например, эта форма используется в Karney, Charles FF (2011). «Поперечная проекция Меркатора с точностью до нескольких нанометров». Journal of Geodesy . 85 : 475–485.
^ 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.
↑ 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.
↑ 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.
^ Фельдман, Джоэл. "Интеграция sec x и sec3 x" (PDF) . Математический факультет Университета Британской Колумбии .
«Интеграл секанса». MIT OpenCourseWare .
^ 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.
^ 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.
^ 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. ISBN978-0-538-49790-9.
^ Харди, Майкл (2013). "Эффективность антидифференцирования секущей функции" . American Mathematical Monthly . 120 (6): 580.
^ Ли, Л. П. (1976). Конформные проекции на основе эллиптических функций . Cartographica Monographs . Том 16. Торонто: BV Gutsell, Йоркский университет. ISBN0-919870-16-3.Приложение № 1 к журналу The Canadian Cartographer 13.
Ссылки
Maseres, Francis, ред. (1791). Scriptores Logarithmici; Или, Сборник нескольких любопытных трактатов о природе и построении логарифмов. Т. 2. Дж. Дэвис.
Штраус, Саймон В. (1980). «Интегралы и их пересмотр». Журнал Вашингтонской академии наук . 70 (4): 137–143. JSTOR 24537231.