Intégrale de $$$\cot^{4}{\left(2 x \right)}$$$

Déterminez $$$\int \cot^{4}{\left(2 x \right)}\, dx$$$.

Soit $$$u=2 x$$$.

Alors $$$du=\left(2 x\right)^{\prime }dx = 2 dx$$$ (les étapes peuvent être vues »), et nous obtenons $$$dx = \frac{du}{2}$$$.

L’intégrale peut être réécrite sous la forme

$${\color{red}{\int{\cot^{4}{\left(2 x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\cot^{4}{\left(u \right)}}{2} d u}}}$$

Appliquez la règle du facteur constant $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ avec $$$c=\frac{1}{2}$$$ et $$$f{\left(u \right)} = \cot^{4}{\left(u \right)}$$$ :

$${\color{red}{\int{\frac{\cot^{4}{\left(u \right)}}{2} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\cot^{4}{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}$$

Soit $$$v=\cot{\left(u \right)}$$$.

Alors $$$dv=\left(\cot{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = - \csc^{2}{\left(u \right)} du$$$ (les étapes peuvent être vues »), et nous obtenons $$$\csc^{2}{\left(u \right)} du = - dv$$$.

Par conséquent,

$$\frac{{\color{red}{\int{\cot^{4}{\left(u \right)} d u}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{v^{4}}{v^{2} + 1}\right)d v}}}}{2}$$

Appliquez la règle du facteur constant $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ avec $$$c=-1$$$ et $$$f{\left(v \right)} = \frac{v^{4}}{v^{2} + 1}$$$ :

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{v^{4}}{v^{2} + 1}\right)d v}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\left(- \int{\frac{v^{4}}{v^{2} + 1} d v}\right)}}}{2}$$

Puisque le degré du numérateur n’est pas inférieur à celui du dénominateur, effectuez la division euclidienne des polynômes (voir les étapes »):

$$- \frac{{\color{red}{\int{\frac{v^{4}}{v^{2} + 1} d v}}}}{2} = - \frac{{\color{red}{\int{\left(v^{2} - 1 + \frac{1}{v^{2} + 1}\right)d v}}}}{2}$$

Intégrez terme à terme:

$$- \frac{{\color{red}{\int{\left(v^{2} - 1 + \frac{1}{v^{2} + 1}\right)d v}}}}{2} = - \frac{{\color{red}{\left(- \int{1 d v} + \int{v^{2} d v} + \int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}\right)}}}{2}$$

Appliquez la règle de la constante $$$\int c\, dv = c v$$$ avec $$$c=1$$$:

$$- \frac{\int{v^{2} d v}}{2} - \frac{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{1 d v}}}}{2} = - \frac{\int{v^{2} d v}}{2} - \frac{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}{2} + \frac{{\color{red}{v}}}{2}$$

Appliquer la règle de puissance $$$\int v^{n}\, dv = \frac{v^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ avec $$$n=2$$$ :

$$\frac{v}{2} - \frac{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{v^{2} d v}}}}{2}=\frac{v}{2} - \frac{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}{2} - \frac{{\color{red}{\frac{v^{1 + 2}}{1 + 2}}}}{2}=\frac{v}{2} - \frac{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}{2} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{v^{3}}{3}\right)}}}{2}$$

L’intégrale de $$$\frac{1}{v^{2} + 1}$$$ est $$$\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v} = \operatorname{atan}{\left(v \right)}$$$ :

$$- \frac{v^{3}}{6} + \frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}}}{2} = - \frac{v^{3}}{6} + \frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\operatorname{atan}{\left(v \right)}}}}{2}$$

Rappelons que $$$v=\cot{\left(u \right)}$$$ :

$$- \frac{\operatorname{atan}{\left({\color{red}{v}} \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{v}}}{2} - \frac{{\color{red}{v}}^{3}}{6} = - \frac{\operatorname{atan}{\left({\color{red}{\cot{\left(u \right)}}} \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\cot{\left(u \right)}}}}{2} - \frac{{\color{red}{\cot{\left(u \right)}}}^{3}}{6}$$

Rappelons que $$$u=2 x$$$ :

$$\frac{\cot{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} - \frac{\cot^{3}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{6} - \frac{\operatorname{atan}{\left(\cot{\left({\color{red}{u}} \right)} \right)}}{2} = \frac{\cot{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{2} - \frac{\cot^{3}{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{6} - \frac{\operatorname{atan}{\left(\cot{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)} \right)}}{2}$$

Par conséquent,

$$\int{\cot^{4}{\left(2 x \right)} d x} = - \frac{\cot^{3}{\left(2 x \right)}}{6} + \frac{\cot{\left(2 x \right)}}{2} - \frac{\operatorname{atan}{\left(\cot{\left(2 x \right)} \right)}}{2}$$

Ajouter la constante d'intégration :

$$\int{\cot^{4}{\left(2 x \right)} d x} = - \frac{\cot^{3}{\left(2 x \right)}}{6} + \frac{\cot{\left(2 x \right)}}{2} - \frac{\operatorname{atan}{\left(\cot{\left(2 x \right)} \right)}}{2}+C$$

$$$\int \cot^{4}{\left(2 x \right)}\, dx = \left(- \frac{\cot^{3}{\left(2 x \right)}}{6} + \frac{\cot{\left(2 x \right)}}{2} - \frac{\operatorname{atan}{\left(\cot{\left(2 x \right)} \right)}}{2}\right) + C$$$A