$$$\frac{\tan^{2}{\left(x \right)}}{2}$$$の積分

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

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

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

$$$u=\tan{\left(x \right)}$$$ とする。

すると $$$x=\operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$ および $$$dx=\left(\operatorname{atan}{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = \frac{du}{u^{2} + 1}$$$（手順は»で確認できます）。

したがって、

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, du = c u$$$ を適用する:

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

$$$\frac{1}{u^{2} + 1}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} = \operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$ です:

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

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

$$- \frac{\operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{u}}}{2} = - \frac{\operatorname{atan}{\left({\color{red}{\tan{\left(x \right)}}} \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}}{2}$$

したがって、

$$\int{\frac{\tan^{2}{\left(x \right)}}{2} d x} = \frac{\tan{\left(x \right)}}{2} - \frac{\operatorname{atan}{\left(\tan{\left(x \right)} \right)}}{2}$$

簡単化せよ:

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

積分定数を加える:

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

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