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Revision 209 - (view) (download)

1 : jj 209 ##DESCRIPTION
2 :     ##KEYWORDS('integrals', 'trig', 'substitution')
3 :     ##ENDDESCRIPTION
4 :    
5 :     DOCUMENT(); # This should be the first executable line in the problem.
6 :    
7 :     loadMacros(
8 :     "PG.pl",
9 :     "PGbasicmacros.pl",
10 :     "PGchoicemacros.pl",
11 :     "PGanswermacros.pl",
12 :     "PGauxiliaryFunctions.pl"
13 :     );
14 :    
15 :     TEXT(&beginproblem);
16 :     $showPartialCorrectAnswers = 1;
17 :    
18 :     $a = random(2,9,1);
19 :     $k = random(4,9,1);
20 :    
21 :     $aa = $a*$a;
22 :     $n = 2*$k + 3;
23 :     $m = 2*$k + 1;
24 :     $p = 2*$k;
25 :    
26 :     $ans = "(1/($aa*$m)) * (x^2/($aa - x^2))**($m/2)";
27 :    
28 :     TEXT(EV2(<<EOT));
29 :    
30 :     Evaluate the indefinite integral
31 :     $BR \[\int \frac{ x^{$p} \, dx}{($aa - x^2)^{$n/2}} \]
32 :     $BR $BR \{ans_rule( 50) \}
33 :     $BR
34 :     EOT
35 :    
36 :     &HINT(EV3(<<'EOT'));
37 :     $HINT $BR
38 :    
39 :     Make a trigonometric substitution. To attack the resulting
40 :     integral, remember that \( (\sin x)/(\cos x) = \tan x \)
41 :     and that \( 1/(\cos x) = \sec x \).
42 :     EOT
43 :    
44 :     &ANS(function_cmp_up_to_constant($ans));
45 :    
46 :     $soln_den = $aa*$m;
47 :    
48 :     &SOLUTION(EV3(<<'EOT'));
49 :    
50 :     $SOL $BR $BR
51 :    
52 :     We recall from the table on page 484 that this circumstance calls for a
53 :     substitution of \(x=$a \sin\theta\), and of course its inverse
54 :     \(\theta=\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\).
55 :    
56 :     \[
57 :     \begin{align*}
58 :     \int \frac{x^{$p}dx}{\left($aa-x^2\right)^{$n/2}}
59 :     &= \int \frac{x^{$p}dx}{\left(\sqrt{$aa-x^2}\right)^{$n}} \\\\
60 :     &= \int \frac{\left($a \sin\theta\right)^{$p} \cdot $a \cos\theta d\theta}
61 :     {\left(\sqrt{$a^2-$a^2\sin^2\theta}\right)^{$n}} \\\\
62 :     &= \int \frac{$a^{$m}\sin^{$p}\theta\cos\theta d\theta}
63 :     {\left(\sqrt{$a^2\cos^2\theta}\right)}^{$n}} \\\\
64 :     &= \int \frac{$a^{$m}\sin^{$p}\theta\cos\theta d\theta}
65 :     {\left($a \cos\theta\right)^{$n}} \\\\
66 :     &= \frac{1}{$aa} \int \tan^{$p}\theta \sec^2\theta d\theta \\\\
67 :     &= \frac{\tan^{$m}\theta}{$aa \cdot $m} \\\\
68 :     &= \frac{\tan^{$m}\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}
69 :     {$soln_den}
70 :     \end{align*}
71 :     \]
72 :    
73 :     Now this is not in the same form as the answer given by WeBWorK, so to see
74 :     that they're the same, we can perform the following manipulations:
75 :    
76 :     \[
77 :     \begin{align*}
78 :     \frac{\tan^{$m}\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}{$soln_den}
79 :     &= \frac{ \left(
80 :     \frac{\sin\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}
81 :     {\cos\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}
82 :     \right)^{$m} } { $soln_den } \\\\
83 :     &= \frac{ \left( \frac{ \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
84 :     { \cos^2\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right) }
85 :     \right)^{\frac{$m}{2}} } { $soln_den } \\\\
86 :     &= \frac{ \left( \frac{ \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
87 :     { 1 - \sin^2\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right) }
88 :     \right)^{\frac{$m}{2}} } { $soln_den } \\\\
89 :     &= \frac{ \left( \frac{ \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
90 :     { 1 - \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
91 :     \right)^{\frac{$m}{2}} } { $soln_den } \\\\
92 :     &= \frac{ \left( \frac{x^2}{$a^2-x^2} \right)^{$m/2} } { $soln_den }
93 :     \end{align*}
94 :     \]
95 :    
96 :     EOT
97 :    
98 :     ENDDOCUMENT(); # This should be the last executable line in the problem.
99 :    

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