Integrale di $$$\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}$$$

Trova $$$\int \frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}\, dx$$$.

Applica la regola del fattore costante $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ con $$$c=\sin{\left(1 \right)}$$$ e $$$f{\left(x \right)} = \frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}$$$:

$${\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\sin{\left(1 \right)} \int{\frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x}}}$$

Riesprimi in funzione della cotangente:

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

Sia $$$u=\cot{\left(x \right)}$$$.

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

Quindi,

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

Applica la regola del fattore costante $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ con $$$c=-1$$$ e $$$f{\left(u \right)} = \frac{u^{2}}{u^{2} + 1}$$$:

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

Riscrivi e separa la frazione:

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

Integra termine per termine:

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

Applica la regola della costante $$$\int c\, du = c u$$$ con $$$c=1$$$:

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

L'integrale di $$$\frac{1}{u^{2} + 1}$$$ è $$$\int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} = \operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$:

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

Ricordiamo che $$$u=\cot{\left(x \right)}$$$:

$$- \sin{\left(1 \right)} \left(- \operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)} + {\color{red}{u}}\right) = - \sin{\left(1 \right)} \left(- \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\cot{\left(x \right)}}} \right)} + {\color{red}{\cot{\left(x \right)}}}\right)$$

Pertanto,

$$\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = - \left(\cot{\left(x \right)} - \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)}$$

Semplifica:

$$\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)}$$

Aggiungi la costante di integrazione:

$$\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)}+C$$

$$$\int \frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}\, dx = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)} + C$$$A