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

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

$$$u=2 x$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

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

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

平方完成（手順は»で確認できます）:

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

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

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

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

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

したがって、

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

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

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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