$$$\frac{1}{1 - \sin{\left(x \right)}}$$$の積分

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

$$$1$$$ を $$$\sin^2\left(\frac{x}{2}\right)+\cos^2\left(\frac{x}{2}\right)$$$ に書き換え、正弦の二倍角の公式 $$$\sin\left(x\right)=2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\cos\left(\frac{x}{2}\right)$$$ を適用する:

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

平方完成（手順は»で確認できます）:

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

分子と分母に$$$\sec^2\left(\frac{x}{2}\right)$$$を掛ける:

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

$$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} \right)} - 1$$$ とする。

すると $$$du=\left(\tan{\left(\frac{x}{2} \right)} - 1\right)^{\prime }dx = \frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}{2} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} dx = 2 du$$$ となります。

積分は次のようになります

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

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

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

$$$n=-2$$$ 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:

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

次のことを思い出してください $$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} \right)} - 1$$$:

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

したがって、

$$\int{\frac{1}{1 - \sin{\left(x \right)}} d x} = - \frac{2}{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)} - 1}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{1}{1 - \sin{\left(x \right)}} d x} = - \frac{2}{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)} - 1}+C$$

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