quote:
Gevraagd werd de integraal te bepalen van de functie √(2∙e
2t + 1) over het interval [0, 2π].
Bij integralen met een vierkantswortel uit een kwadratische veelterm bestaat de oplossingsmethode erin dat je de veelterm door kwadraatafsplitsing en een geschikt gekozen lineaire substitutie herleidt tot een vorm van de gedaante z
2 + 1, z
2 -1 of 1 - z
2. De reden hiervoor is dat je dan met een substitutie van een goniometrische of hyperbolische functie de integraal in een vorm kunt brengen waarin geen wortelteken meer voorkomt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de bekende identiteiten
cos
2(x) + sin
2(x) =1
cosh
2(x) - sinh
2(x) = 1
In dit geval hebben we onder het wortelteken echter geen kwadratische veelterm, maar we kunnen 2∙e
2t + 1 wel herleiden tot z
2 + 1 als we substitueren z
2 = 2∙e
2t oftewel
z = √2∙e
tMerk op dat geldt z > 0 voor alle (reële) waarden van t. We hebben nu dz/dt = √2∙e
t = z, dus dt/dz = z
-1. Hiermee is de integraal omgevormd tot
∫ z
-1∙√(z
2 + 1)∙dz
Nu kunnen we een substitutie met een hyperbolische functie uitvoeren om de wortel kwijt te raken. Kiezen we z = sinh(u) (waarbij geldt dat u > 0 daar z > 0), dan is √(z
2 + 1) = cosh(u) en dz/du = cosh(u) zodat we krijgen
∫ (1/sinh(u))∙cosh(u)∙cosh(u)∙du
Aangezien cosh
2(u) = 1 + sinh
2(u) kunnen we dit schrijven als:
∫ ((1/sinh(u)) + sinh(u))∙du
De tweede term is eenvoudig te primitiveren, want sinh(u) en cosh(u) zijn elkaars afgeleiden, zodat cosh(u) een primitieve is van sinh(u). Maar een primitieve van 1/sinh(u) is niet zo eenvoudig te bepalen. Aangezien 1/x de afgeleide is van ln(x) zou je kunnen denken aan ln(sinh(u)), maar de afgeleide daarvan is, vanwege de kettingregel, (1/sinh(u))∙cosh(u) = coth(u). Evenzo geeft ln(cosh(u)) als afgeleide tanh(u).
Nu valt op dat het differentiëren van de natuurlijke logaritme van een hyperbolische functie een andere hyperbolische functie oplevert, en je zou je daarom kunnen afvragen of ln(tanh(u)) misschien het gewenste resultaat geeft. De afgeleide van tanh(u) is 1/cosh
2(u) en dus vinden we voor de afgeleide van ln(tanh(u)) :
(1/tanh(u)) ∙ (1/cosh
2(u)) = (cosh(u)/sinh(u)) ∙ (1/cosh
2(u)) = (1/ sinh(u))∙(1/cosh(u)) = 1/(sinh(u)∙cosh(u))
Dit is nog niet het gewenste resultaat 1/sinh(u) maar toch kunnen we hier verder mee omdat het mogelijk is sinh(u) te herschrijven als een produkt van een sinh en een cosh. We hebben de volgende identiteit:
sinh(2x) = 2∙sinh(x)∙cosh(x)
Substitutie van 2x = u en dus x = ½∙u levert
sinh(u) = 2∙sinh(½∙u)∙cosh(½∙u)
Nu is eenvoudig te zien dat 1/sinh(u) = 1/(2∙sinh(½∙u)∙cosh(½∙u)) de afgeleide is van ln(tan(½∙u)) en dus vinden we
∫ ((1/sinh(u)) + sinh(u))∙du = cosh(u) + ln(tan(½∙u))
De hyperbolische substitutie was alleen bedoeld om de wortel kwijt te raken, zodat we de primitieve nu weer om gaan zetten naar een uitdrukking in z (die dan op zijn beurt weer is om te zetten naar een uitdrukking in t). We weten al dat cosh(u) = √(z
2 + 1) maar om de term ln(tan(½∙u)) uit te drukken in z moeten we deze term eerst omzetten naar een uitdruking in sinh(u) of cosh(u). We hebben de volgende identiteit:
cosh(2x) = cosh
2(x) + sinh
2(x) = 2∙cosh
2(x) - 1 = 2∙sinh
2(x) + 1
Na substitutie van 2x = u ofwel x = ½∙u kunnen we hieruit afleiden dat geldt
sinh
2(½∙u) = (cosh(u) - 1)/2
cosh
2(½∙u) = (cosh(u) + 1)/2
Delen we de eerste betrekking door de tweede en nemen we de vierkantswortel dan vinden we dus (voor u ≥ 0):
tanh(½∙u) = √((cosh(u) - 1)/(cosh(u) + 1))
Aangezien ln(√a) = ½∙ln(a) hebben we dan:
∫ ((1/sinh(u)) + sinh(u))∙du = cosh(u) + ½∙ln((cosh(u) - 1)/(cosh(u) + 1))
Hierin is cosh(u) = √(z
2 + 1) zodat we voor de primitieve uitgedrukt in z vinden:
√(z
2 + 1) + ½∙ln((√(z
2 + 1) - 1)/(√(z
2 + 1) + 1))
Nu kunnen we de breuk (√(z
2 + 1) - 1)/(√(z
2 + 1) + 1) nog wat vereenvoudigen door teller en noemer te vermenigvuldigen met (√(z
2 + 1) - 1) en gebruik te maken van (a+b)(a-b) = a
2 - b
2. Merk op dat (√(z
2 + 1) - 1) positief is aangezien z > 0. De noemer van de breuk wordt dan (z
2 + 1) - 1
2 = z
2 en voor de teller krijgen we:
(√(z
2 + 1) - 1)
2 = (z
2 + 1) - 2∙√(z
2 + 1)∙1 + 1
2 = z
2 + 2 - 2∙√(z
2 + 1)
Voor de primitieve uitgedrukt in z hebben we nu:
∫ z
-1∙√(z
2 + 1)∙dz = √(z
2 + 1) + ½∙ln((z
2 + 2 - 2∙√(z
2 + 1))/z
2)
Substitutie van z
2 = 2∙e
2t geeft tenslotte als resultaat:
∫√(2∙e
2t + 1)∙dt = √(2∙e
2t + 1) + ½∙ln((e
2t + 1 - √(2∙e
2t + 1))/e
2t)
Vullen we nu eerst t=2π in en dan t=0 en trekken we het tweede resultaat af van het eerste dan vinden we voor de bepaalde integraal over het interval [0,2π] inderdaad:
![]()
Hiermee is de opgave voltooid. Nog enkele aanvullingen. Aangezien ln(a) = - ln(1/a) kunnen we voor de primitieve uitgedrukt in z ook schrijven:
√(z
2 + 1) - ½∙ln((√(z
2 + 1) + 1)/(√(z
2 + 1) - 1))
Vereenvoudigen we weer de breuk door teller en noemer nu met (√(z
2 + 1) + 1) te vermenigvuldigen dan wordt de noemer weer gereduceerd tot z
2 terwijl we voor de teller (√(z
2 + 1) + 1)
2 krijgen. Beide zijn een kwadraat zodat de gehele breuk ook als een kwadraat ((√(z
2 + 1) + 1)/z)
2 is te schrijven, en aangezien ln(a
2) = 2∙ln(a) kunnen we de primitieve schrijven als:
√(z
2 + 1) - ln((√(z
2 + 1) + 1)/z)
Dit is eenvoudig te herleiden tot
√(z
2 + 1) - ln(z
-1 + √(z
-2 + 1))
Aangezien arcsinh(z) = ln(z + √(z
2 + 1)) en dus arcsinh(1/z) = ln(z
-1 + √(z
-2 + 1)) vinden we dat:
∫ z
-1∙√(z
2 + 1)∙dz = √(z
2 + 1) - arcsinh(1/z)
Substitutie van z = √2∙e
t, z
2 = 2∙e
2t geeft dan:
∫√(2∙e
2t + 1)∙dt = √(2∙e
2t + 1) - arcsinh(e
-t/√2)
Hiermee is de bepaalde integraal eenvoudiger numeriek te berekenen met een gewone calculator. Voor de waarde van de bepaalde integraal over het interval [0, 2π] vinden we dan 756,225...
Tot slot nog een opmerking over de wijze waarop Mathematica deze integraal behandelt. Aangezien de waarde van tanh(x) tussen -1 en +1 ligt, is de waarde van de inverse functie arctanh(x) strict genomen alleen gedefinieerd voor -1 < x < 1. Voor deze waarden van x geldt:
arctanh(x) = ½∙ln((1+x)/(1-x))
De afgeleide van arctanh(x) is 1/(1-x
2) maar deze laatste functie is ook gedefinieerd voor x < -1 en x > 1. Om deze reden is het voor toepassing in de integraalrekening nuttig om het domein van arctanh(x) uit te breiden naar waarden van x < -1 of x > 1. Te vergelijken is de functie x
-1 die ook gedefinieerd is voor x < 0, terwijl de bijbehorende primitieve functie ln(x) binnen de reële getallen alleen is gedefinieerd voor x > 0. We kunnen de primitieve functie van x
-1 echter ongeacht het teken van x weergeven als ln(|x|). Op vergelijkbare wijze is het domein van arctanh(x) uit te breiden door deze functie voor x < -1 of x > 1 te definiëren als:
arctanh(x) = ½∙ln(|(1+x)/(1-x)|)
Grafisch zien de uitgebreide functie arctanh(x) en de bijbehorende afgeleide er als volgt uit:
![]()
Voor x > 1 geldt |(1+x)/(1-x)| = (x+1)/(x-1) zodat we voor ½∙ln((√(z
2 + 1) + 1)/(√(z
2 + 1) - 1)) bij gebruik van de uitgebreide definitie van arctanh mogen schrijven:
arctanh(√(z
2 + 1))
Zo krijgen we dan:
∫ z
-1∙√(z
2 + 1)∙dz = √(z
2 + 1) - arctanh(√(z
2 + 1))
En substitutie van z
2 = 2∙e
2t geeft:
∫√(2∙e
2t + 1)∙dt = √(2∙e
2t + 1) - arctanh(√(2∙e
2t + 1))
Deze laatste variant is alleen geschikt voor de berekening van de bepaalde integraal als de gebruikte calculator of het gebruikte programma de uitgebreide definitie van arctanh hanteert.