Tổng hợp lý thuyết công thức nguyên hàm của hàm số lượng giác – tìm nguyên hàm của hàm số toán lớp 12

Công thức nguyên hàm của hàm số lượng giác – tìm nguyên hàm của hàm số

1. Một số công thức lượng giác cần nhớ

Hằng đẳng thức lượng giác: ${{\sin }^{2}}x+{{\cos }^{2}}x=1;\frac{1}{{{\sin }^{2}}x}=1+{{\cot }^{2}}x;\frac{1}{{{\cos }^{2}}x}=1+{{\tan }^{2}}x$

– Công thức cộng: $\begin{array}  {} \sin \left( a\pm b \right)=\sin a.\cos b\pm \sin b\operatorname{cosb} \\  {} \cos \left( a\pm b \right)=\cos a.\cos b\mp \sin a.\cos b \\  {} \tan \left( a\pm b \right)=\frac{\tan a\pm \tan b}{1\mp \tan a.\tan b} \\ \end{array}$

– Công thức nhân đôi: $\left\{ \begin{array}  {} \sin 2a=2\sin a\cos a \\  {} \cos 2a={{\cos }^{2}}a-{{\sin }^{2}}a=2{{\cos }^{2}}a-1=1-2{{\sin }^{2}}a \\ \end{array} \right.$

– Công thức hạ bậc: ${{\sin }^{2}}a=\frac{1-\cos 2a}{2};{{\cos }^{2}}a=\frac{1+\cos 2a}{2}$

– Công thức nhân ba: $\left\{ \begin{array}  {} \sin 3a=3\sin a-4{{\sin }^{3}}a \\  {} \cos 3a=4{{\cos }^{3}}a-3\cos a \\ \end{array} \right.$

– Công thức biến đổi tích thành tổng: $\cos a.\cos b=\frac{1}{2}\left[ \cos \left( a+b \right)+\cos \left( a-b \right) \right]$

$\sin .a\sin b=\frac{1}{2}\left[ \cos \left( a-b \right)-\cos \left( a+b \right) \right];\sin a.\cos b=\frac{1}{2}\left[ \sin \left( a+b \right)+\sin \left( a-b \right) \right]$

2. Một số nguyên hàm lượng giác cơ bản

$\begin{array}  {} {{I}_{1}}=\int{\sin xdx=-\cos x+C} \\  {} {{I}_{2}}=\int{\sin \left( ax \right)dx=-\frac{1}{a}\cos \left( ax \right)+C} \\  {} {{I}_{3}}=\int{\cos xdx=\sin x+C} \\  {} {{I}_{4}}=\int{\cos \left( ax \right)dx=\frac{1}{a}\sin \left( ax \right)+C} \\  {} {{I}_{5}}=\int{{{\sin }^{2}}xdx=\int{\frac{1-\cos 2x}{2}dx=\frac{x}{2}-\frac{\sin 2x}{4}+C}} \\  {} {{I}_{6}}=\int{{{\cos }^{2}}xdx=\int{\frac{1+\cos 2x}{2}dx=\frac{x}{2}+\frac{\sin 2x}{4}+C}} \\  {} {{I}_{7}}=\int{\frac{dx}{{{\cos }^{2}}x}=\tan x+C} \\  {} {{I}_{8}}=\int{\frac{dx}{{{\cos }^{2}}\left( ax \right)}=\frac{1}{a}\tan \left( ax \right)+C} \\  {} {{I}_{9}}=\int{\frac{dx}{{{\sin }^{2}}\left( ax \right)}=-\cot x+C} \\  {} {{I}_{10}}=\int{\frac{dx}{{{\sin }^{2}}\left( ax \right)}=-\frac{1}{a}\cot \left( ax \right)+C} \\  {} {{I}_{11}}=\int{\tan xdx=\int{\frac{\sin xdx}{\cos x}=-\ln \left| \cos x \right|+C}} \\  {} {{I}_{12}}=\int{\cot xdx=\int{\frac{\cos xdx}{\sin x}=\ln \left| \sin x \right|+C}} \\  {} {{I}_{13}}=\int{{{\tan }^{2}}x}dx=\int{\left( \frac{1}{{{\cos }^{2}}x}-1 \right)dx=\tan x-x+C} \\  {} {{I}_{14}}=\int{{{\cot }^{2}}x}dx=\int{\left( \frac{1}{{{\sin }^{2}}x}-1 \right)dx=\cot x-x+C} \\ \end{array}$

3. Các dạng nguyên hàm lượng giác thường gặp

Dạng 1: Nguyên hàm $I=\int{{{\sin }^{m}}x.co{{s}^{n}}xdx}$

– TH1: Nếu $m=2k+1\Rightarrow I=\int{{{\sin }^{2k}}x.{{\cos }^{n}}x.\sin xdx}$

$=-\int{{{\left( 1-{{\cos }^{2}}x \right)}^{k}}.{{\cos }^{n}}xd\left( \cos x \right)\to }$ Đặt $t=\cos x$

– TH2: Nếu $n=2k+1\to $ Đặt $t=\operatorname{s}\text{inx}$

– TH3: Nếu m,n đều chẵn ta dùng công thức hạ bậc

Chú ý: Đối với nguyên hàm chỉ chứa sinx và cosx dạng.

$I=\int{f\left( \sin x \right)\cos xdx=\int{f\left( \sin x \right)d\left( \sin x \right)\to }}$ Đặt $t=\operatorname{s}\text{inx}$

$I=\int{f\left( \cos x \right)\sin xdx=-\int{f\left( \cos x \right)d\left( \cos x \right)\to }}$ Đặt $t=\cos \text{x}$

Dạng 2: Nguyên hàm $I=\int{\frac{dx}{{{\sin }^{m}}x.{{\cos }^{n}}x}}$

– TH1: Nếu $m=2k+1\Rightarrow I=\int{\frac{\sin xdx}{{{\sin }^{2k+2}}x.{{\cos }^{n}}x}=-\int{\frac{d\left( \cos x \right)}{{{\left( 1-{{\cos }^{2}}x \right)}^{k+1}}.{{\cos }^{n}}x}}}$

Khi đó ta đặt: $t=\cos x$

– TH2: Nếu $n=2k+1\to $ ta đặt $t=\operatorname{s}\text{inx}$

– TH3: Nếu m,n đều chẵn ta biến đổi $\frac{1}{{{\sin }^{m}}x.{{\cos }^{n}}x}=\frac{{{\sin }^{2}}x+{{\cos }^{2}}x}{{{\sin }^{m}}x.{{\cos }^{n}}x}…$

Dạng 3:  Nguyên hàm lượng giác của hàm tanx và cotx

Các nguyên hàm chứa tanx hay cotx ta thường dùng các hằng đẳng thức

$\frac{1}{{{\sin }^{2}}x}=1+{{\cot }^{2}}x;\frac{1}{{{\cos }^{2}}x}=1+{{\tan }^{2}}x$

Nguyên hàm mà mẫu số là đẳng cấp bậc hai với sinx và cosx;

$A{{\sin }^{2}}x+B\sin x\cos +C{{\cos }^{2}}x$ thì ta chia cả tử số và mẫu số cho ${{\cos }^{2}}x$

Chú ý: Khi $I=\int{\frac{f\left( \tan \,x \right)}{{{\cos }^{2}}x}}dx=\int{f\left( \tan \,x \right)d\left( \tan \,x \right)\to }$ đặt t=tanx

Dạng 4: Nguyên hàm sử dụng công thức biến đổi tích thành tổng

$\begin{array}  {} \int{\cos ax.\cos bxdx}=\frac{1}{2}\int{\left[ \cos \left( a+b \right)x+\cos \left( a-b \right)x \right]dx} \\  {} \int{\sin ax.sinbxdx}=-\frac{1}{2}\int{\left[ \cos \left( a+b \right)x-\cos \left( a-b \right)x \right]dx} \\  {} \int{\sin ax.\cos bxdx}=\frac{1}{2}\int{\left[ \sin \left( a+b \right)x+\sin \left( a-b \right)x \right]dx} \\  {} \int{\cos ax.sinbxdx}=\frac{1}{2}\int{\left[ \sin \left( a+b \right)x-\sin \left( a-b \right)x \right]dx} \\ \end{array}$

Dạng 5: Nguyên hàm $I=\int{\frac{dx}{a\sin x+b\cos x+c}}$

Ta có: $I=\int{\frac{dx}{2a\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2}+b\left( {{\cos }^{2}}\frac{x}{2}-{{\sin }^{2}}\frac{x}{2} \right)+c\left( {{\sin }^{2}}\frac{x}{2}+{{\cos }^{2}}\frac{x}{2} \right)}}$

$\begin{array}  {} \int{\frac{dx}{m{{\sin }^{2}}\frac{x}{2}+n\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2}+p{{\cos }^{2}}\frac{x}{2}}=\int{\frac{dx}{{{\cos }^{2}}\frac{x}{2}\left( m{{\tan }^{2}}\frac{x}{2}+n\tan \frac{x}{2}+p \right)}}} \\  {} \xrightarrow{t=\tan \frac{x}{2}}I=\int{\frac{dt}{m{{t}^{2}}+nt+p}} \\ \end{array}$