Integrale di $$$- 2 \csc^{3}{\left(x \right)} + \sec^{2}{\left(x \right)} - 1$$$

Trova $$$\int \left(- 2 \csc^{3}{\left(x \right)} + \sec^{2}{\left(x \right)} - 1\right)\, dx$$$.

Integra termine per termine:

$${\color{red}{\int{\left(- 2 \csc^{3}{\left(x \right)} + \sec^{2}{\left(x \right)} - 1\right)d x}}} = {\color{red}{\left(- \int{1 d x} - \int{2 \csc^{3}{\left(x \right)} d x} + \int{\sec^{2}{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

Applica la regola della costante $$$\int c\, dx = c x$$$ con $$$c=1$$$:

$$- \int{2 \csc^{3}{\left(x \right)} d x} + \int{\sec^{2}{\left(x \right)} d x} - {\color{red}{\int{1 d x}}} = - \int{2 \csc^{3}{\left(x \right)} d x} + \int{\sec^{2}{\left(x \right)} d x} - {\color{red}{x}}$$

L'integrale di $$$\sec^{2}{\left(x \right)}$$$ è $$$\int{\sec^{2}{\left(x \right)} d x} = \tan{\left(x \right)}$$$:

$$- x - \int{2 \csc^{3}{\left(x \right)} d x} + {\color{red}{\int{\sec^{2}{\left(x \right)} d x}}} = - x - \int{2 \csc^{3}{\left(x \right)} d x} + {\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}$$

Applica la regola del fattore costante $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ con $$$c=2$$$ e $$$f{\left(x \right)} = \csc^{3}{\left(x \right)}$$$:

$$- x + \tan{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{2 \csc^{3}{\left(x \right)} d x}}} = - x + \tan{\left(x \right)} - {\color{red}{\left(2 \int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

Per l'integrale $$$\int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}$$$, usa l'integrazione per parti $$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$.

Siano $$$\operatorname{u}=\csc{\left(x \right)}$$$ e $$$\operatorname{dv}=\csc^{2}{\left(x \right)} dx$$$.

Quindi $$$\operatorname{du}=\left(\csc{\left(x \right)}\right)^{\prime }dx=- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} dx$$$ (i passaggi si possono vedere ») e $$$\operatorname{v}=\int{\csc^{2}{\left(x \right)} d x}=- \cot{\left(x \right)}$$$ (i passaggi si possono vedere »).

L'integrale può essere riscritto come

$$\int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}=\csc{\left(x \right)} \cdot \left(- \cot{\left(x \right)}\right)-\int{\left(- \cot{\left(x \right)}\right) \cdot \left(- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}\right) d x}=- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - \int{\cot^{2}{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} d x}$$

Applica la formula $$$\cot^{2}{\left(x \right)} = \csc^{2}{\left(x \right)} - 1$$$:

$$- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - \int{\cot^{2}{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} d x}=- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - \int{\left(\csc^{2}{\left(x \right)} - 1\right) \csc{\left(x \right)} d x}$$

Sviluppa:

$$- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - \int{\left(\csc^{2}{\left(x \right)} - 1\right) \csc{\left(x \right)} d x}=- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - \int{\left(\csc^{3}{\left(x \right)} - \csc{\left(x \right)}\right)d x}$$

L'integrale di una differenza è la differenza degli integrali:

$$- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - \int{\left(\csc^{3}{\left(x \right)} - \csc{\left(x \right)}\right)d x}=- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} + \int{\csc{\left(x \right)} d x} - \int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}$$

Pertanto, otteniamo la seguente semplice equazione lineare per l'integrale:

$${\color{red}{\int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}}}=- \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} + \int{\csc{\left(x \right)} d x} - {\color{red}{\int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}}}$$

Risolvendo, si ottiene che

$$\int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}=- \frac{\cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}}{2} + \frac{\int{\csc{\left(x \right)} d x}}{2}$$

Pertanto,

$$- x + \tan{\left(x \right)} - 2 {\color{red}{\int{\csc^{3}{\left(x \right)} d x}}} = - x + \tan{\left(x \right)} - 2 {\color{red}{\left(- \frac{\cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}}{2} + \frac{\int{\csc{\left(x \right)} d x}}{2}\right)}}$$

Riscrivi la cosecante come $$$\csc\left(x\right)=\frac{1}{\sin\left(x\right)}$$$:

$$- x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\csc{\left(x \right)} d x}}} = - x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{\sin{\left(x \right)}} d x}}}$$

Riscrivi il seno usando la formula dell'angolo doppio $$$\sin\left(x\right)=2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\cos\left(\frac{x}{2}\right)$$$:

$$- x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{\sin{\left(x \right)}} d x}}} = - x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}} d x}}}$$

Moltiplica il numeratore e il denominatore per $$$\sec^2\left(\frac{x}{2} \right)$$$:

$$- x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}} d x}}} = - x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}{2 \tan{\left(\frac{x}{2} \right)}} d x}}}$$

Sia $$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$.

Quindi $$$du=\left(\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{\prime }dx = \frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}{2} dx$$$ (i passaggi si possono vedere »), e si ha che $$$\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} dx = 2 du$$$.

L'integrale può essere riscritto come

$$- x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}{2 \tan{\left(\frac{x}{2} \right)}} d x}}} = - x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}$$

L'integrale di $$$\frac{1}{u}$$$ è $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$:

$$- x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}} = - x + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} - {\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}$$

Ricordiamo che $$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$:

$$- x - \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)} = - x - \ln{\left(\left|{{\color{red}{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}}}\right| \right)} + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}$$

Pertanto,

$$\int{\left(- 2 \csc^{3}{\left(x \right)} + \sec^{2}{\left(x \right)} - 1\right)d x} = - x - \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right| \right)} + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}$$

Aggiungi la costante di integrazione:

$$\int{\left(- 2 \csc^{3}{\left(x \right)} + \sec^{2}{\left(x \right)} - 1\right)d x} = - x - \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right| \right)} + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}+C$$

$$$\int \left(- 2 \csc^{3}{\left(x \right)} + \sec^{2}{\left(x \right)} - 1\right)\, dx = \left(- x - \ln\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right|\right) + \tan{\left(x \right)} + \cot{\left(x \right)} \csc{\left(x \right)}\right) + C$$$A