$$$\frac{1}{\sinh^{2}{\left(x \right)} \cosh^{2}{\left(x \right)}}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$\frac{1}{\sinh^{2}{\left(x \right)} \cosh^{2}{\left(x \right)}}$$$の不定積分(原始関数)を求めます。

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$$$dx$$$$$$dy$$$ などの微分記号を使わずに書いてください。
自動検出のため、空欄のままにしてください。

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入力内容

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

解答

分子と分母に$$$\frac{1}{\cosh^{2}{\left(x \right)}}$$$を掛け、$$$\frac{\cosh^{2}{\left(x \right)}}{\sinh^{2}{\left(x \right)}}$$$$$$\frac{1}{\tanh^{2}{\left(x \right)}}$$$に変換します。:

$${\color{red}{\int{\frac{1}{\sinh^{2}{\left(x \right)} \cosh^{2}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{1}{\cosh^{4}{\left(x \right)} \tanh^{2}{\left(x \right)}} d x}}}$$

二つの双曲線余弦を取り、公式 $$$\cosh^{2}{\left(x \right)}=\frac{1}{1 - \tanh^{2}{\left(x \right)}}$$$ を用いて、他の双曲線余弦を双曲線正接で表しなさい。:

$${\color{red}{\int{\frac{1}{\cosh^{4}{\left(x \right)} \tanh^{2}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{1 - \tanh^{2}{\left(x \right)}}{\cosh^{2}{\left(x \right)} \tanh^{2}{\left(x \right)}} d x}}}$$

$$$u=\tanh{\left(x \right)}$$$ とする。

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

したがって、

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

Expand the expression:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$n=-2$$$ 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:

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

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

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

したがって、

$$\int{\frac{1}{\sinh^{2}{\left(x \right)} \cosh^{2}{\left(x \right)}} d x} = - \tanh{\left(x \right)} - \frac{1}{\tanh{\left(x \right)}}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{1}{\sinh^{2}{\left(x \right)} \cosh^{2}{\left(x \right)}} d x} = - \tanh{\left(x \right)} - \frac{1}{\tanh{\left(x \right)}}+C$$

解答

$$$\int \frac{1}{\sinh^{2}{\left(x \right)} \cosh^{2}{\left(x \right)}}\, dx = \left(- \tanh{\left(x \right)} - \frac{1}{\tanh{\left(x \right)}}\right) + C$$$A