$$$\frac{1}{\sin{\left(x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}$$$の積分

$$$\int \frac{1}{\sin{\left(x \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}\, dx$$$ を求めよ。

分子と分母の両方に正弦を1つ掛け、残りはすべて余弦で表し、$$$\alpha=x$$$ を用いて公式 $$$\sin^2\left(\alpha \right)=-\cos^2\left(\alpha \right)+1$$$ を使う。:

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

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\cos{\left(x \right)}\right)^{\prime }dx = - \sin{\left(x \right)} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\sin{\left(x \right)} dx = - du$$$ となります。

したがって、

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=-1$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u^{2} \left(1 - u^{2}\right)}$$$ に対して適用する:

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

部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):

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

項別に積分せよ:

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

$$$n=-2$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int u^{n}\, du = \frac{u^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u + 1}$$$ に対して適用する:

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

$$$v=u + 1$$$ とする。

すると $$$dv=\left(u + 1\right)^{\prime }du = 1 du$$$（手順は»で確認できます）、$$$du = dv$$$ となります。

したがって、

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

$$$\frac{1}{v}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$ です:

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

次のことを思い出してください $$$v=u + 1$$$:

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u - 1}$$$ に対して適用する:

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

$$$v=u - 1$$$ とする。

すると $$$dv=\left(u - 1\right)^{\prime }du = 1 du$$$（手順は»で確認できます）、$$$du = dv$$$ となります。

したがって、

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

$$$\frac{1}{v}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$ です:

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

次のことを思い出してください $$$v=u - 1$$$:

$$- \frac{\ln{\left(\left|{u + 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{2} + \frac{1}{u} = - \frac{\ln{\left(\left|{u + 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u - 1\right)}}}\right| \right)}}{2} + \frac{1}{u}$$

次のことを思い出してください $$$u=\cos{\left(x \right)}$$$:

$$\frac{\ln{\left(\left|{-1 + {\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} - \frac{\ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} + {\color{red}{u}}^{-1} = \frac{\ln{\left(\left|{-1 + {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}\right| \right)}}{2} - \frac{\ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}\right| \right)}}{2} + {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}^{-1}$$

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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