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Revision 269 - (view) (download)

1 : jjholt 255 ## DESCRIPTION
2 :     ## Calculus
3 :     ## ENDDESCRIPTION
4 : jj 209
5 : jjholt 255 ## KEYWORDS('Substitution' 'Trig Substitution' 'Trigonometric Substitution')
6 :     ## Tagged by tda2d
7 :    
8 :     ## DBsubject('Calculus')
9 :     ## DBchapter('Techniques of Integration')
10 :     ## DBsection('Trig Substitution')
11 :     ## Date('')
12 :     ## Author('')
13 :     ## Institution('Indiana')
14 :     ## TitleText1('')
15 :     ## EditionText1('')
16 :     ## AuthorText1('')
17 :     ## Section1('')
18 :     ## Problem1('')
19 :    
20 : jj 209 DOCUMENT(); # This should be the first executable line in the problem.
21 :    
22 :     loadMacros(
23 :     "PG.pl",
24 :     "PGbasicmacros.pl",
25 :     "PGchoicemacros.pl",
26 :     "PGanswermacros.pl",
27 :     "PGauxiliaryFunctions.pl"
28 :     );
29 :    
30 : gage 269 TEXT(beginproblem());
31 : jj 209 $showPartialCorrectAnswers = 1;
32 :    
33 :     $a = random(2,9,1);
34 :     $k = random(4,9,1);
35 :    
36 :     $aa = $a*$a;
37 :     $n = 2*$k + 3;
38 :     $m = 2*$k + 1;
39 :     $p = 2*$k;
40 :    
41 :     $ans = "(1/($aa*$m)) * (x^2/($aa - x^2))**($m/2)";
42 :    
43 :     TEXT(EV2(<<EOT));
44 :    
45 :     Evaluate the indefinite integral
46 :     $BR \[\int \frac{ x^{$p} \, dx}{($aa - x^2)^{$n/2}} \]
47 :     $BR $BR \{ans_rule( 50) \}
48 :     $BR
49 :     EOT
50 :    
51 :     &HINT(EV3(<<'EOT'));
52 :     $HINT $BR
53 :    
54 :     Make a trigonometric substitution. To attack the resulting
55 :     integral, remember that \( (\sin x)/(\cos x) = \tan x \)
56 :     and that \( 1/(\cos x) = \sec x \).
57 :     EOT
58 :    
59 : gage 269 ANS(fun_cmp($ans, mode=>"antider"));
60 : jj 209
61 :     $soln_den = $aa*$m;
62 :    
63 :     &SOLUTION(EV3(<<'EOT'));
64 :    
65 :     $SOL $BR $BR
66 :    
67 :     We recall from the table on page 484 that this circumstance calls for a
68 :     substitution of \(x=$a \sin\theta\), and of course its inverse
69 :     \(\theta=\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\).
70 :    
71 :     \[
72 :     \begin{align*}
73 :     \int \frac{x^{$p}dx}{\left($aa-x^2\right)^{$n/2}}
74 :     &= \int \frac{x^{$p}dx}{\left(\sqrt{$aa-x^2}\right)^{$n}} \\\\
75 :     &= \int \frac{\left($a \sin\theta\right)^{$p} \cdot $a \cos\theta d\theta}
76 :     {\left(\sqrt{$a^2-$a^2\sin^2\theta}\right)^{$n}} \\\\
77 :     &= \int \frac{$a^{$m}\sin^{$p}\theta\cos\theta d\theta}
78 :     {\left(\sqrt{$a^2\cos^2\theta}\right)}^{$n}} \\\\
79 :     &= \int \frac{$a^{$m}\sin^{$p}\theta\cos\theta d\theta}
80 :     {\left($a \cos\theta\right)^{$n}} \\\\
81 :     &= \frac{1}{$aa} \int \tan^{$p}\theta \sec^2\theta d\theta \\\\
82 :     &= \frac{\tan^{$m}\theta}{$aa \cdot $m} \\\\
83 :     &= \frac{\tan^{$m}\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}
84 :     {$soln_den}
85 :     \end{align*}
86 :     \]
87 :    
88 :     Now this is not in the same form as the answer given by WeBWorK, so to see
89 :     that they're the same, we can perform the following manipulations:
90 :    
91 :     \[
92 :     \begin{align*}
93 :     \frac{\tan^{$m}\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}{$soln_den}
94 :     &= \frac{ \left(
95 :     \frac{\sin\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}
96 :     {\cos\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right)}
97 :     \right)^{$m} } { $soln_den } \\\\
98 :     &= \frac{ \left( \frac{ \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
99 :     { \cos^2\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right) }
100 :     \right)^{\frac{$m}{2}} } { $soln_den } \\\\
101 :     &= \frac{ \left( \frac{ \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
102 :     { 1 - \sin^2\left(\sin^{-1}\left(\frac{x}{$a}\right)\right) }
103 :     \right)^{\frac{$m}{2}} } { $soln_den } \\\\
104 :     &= \frac{ \left( \frac{ \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
105 :     { 1 - \left(\frac{x}{$a}\right)^2 }
106 :     \right)^{\frac{$m}{2}} } { $soln_den } \\\\
107 :     &= \frac{ \left( \frac{x^2}{$a^2-x^2} \right)^{$m/2} } { $soln_den }
108 :     \end{align*}
109 :     \]
110 :    
111 :     EOT
112 :    
113 :     ENDDOCUMENT(); # This should be the last executable line in the problem.
114 :    

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