$$$4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}$$$の積分

$$$\int 4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\, dx$$$ を求めよ。

$$$\sin\left(\alpha \right)\cos\left(\beta \right)=\frac{1}{2} \sin\left(\alpha-\beta \right)+\frac{1}{2} \sin\left(\alpha+\beta \right)$$$ の公式を用い、$$$\alpha=x$$$ および $$$\beta=\frac{x}{2}$$$ を用いて $$$\sin\left(x \right)\cos\left(\frac{x}{2} \right)$$$ を変形せよ:

$${\color{red}{\int{4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{4 \left(\frac{\sin{\left(\frac{x}{2} \right)}}{2} + \frac{\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)}}{2}\right) \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}}$$

式を展開:

$${\color{red}{\int{4 \left(\frac{\sin{\left(\frac{x}{2} \right)}}{2} + \frac{\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)}}{2}\right) \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(2 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} + 2 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\right)d x}}}$$

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 $$$f{\left(x \right)} = 4 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} + 4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\left(2 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} + 2 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(4 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} + 4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\right)d x}}{2}\right)}}$$

項別に積分せよ:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(4 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} + 4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\right)d x}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\left(\int{4 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x} + \int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}\right)}}}{2}$$

$$$\sin\left(\alpha \right)\cos\left(\beta \right)=\frac{1}{2} \sin\left(\alpha-\beta \right)+\frac{1}{2} \sin\left(\alpha+\beta \right)$$$ の公式を用い、$$$\alpha=\frac{x}{2}$$$ および $$$\beta=\frac{3 x}{2}$$$ を用いて $$$\sin\left(\frac{x}{2} \right)\cos\left(\frac{3 x}{2} \right)$$$ を変形せよ:

$$\frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{4 \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}}}{2} = \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- 2 \sin{\left(x \right)} + 2 \sin{\left(2 x \right)}\right)d x}}}}{2}$$

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 $$$f{\left(x \right)} = - 4 \sin{\left(x \right)} + 4 \sin{\left(2 x \right)}$$$ に対して適用する:

$$\frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- 2 \sin{\left(x \right)} + 2 \sin{\left(2 x \right)}\right)d x}}}}{2} = \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\left(- 4 \sin{\left(x \right)} + 4 \sin{\left(2 x \right)}\right)d x}}{2}\right)}}}{2}$$

項別に積分せよ:

$$\frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- 4 \sin{\left(x \right)} + 4 \sin{\left(2 x \right)}\right)d x}}}}{4} = \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\left(- \int{4 \sin{\left(x \right)} d x} + \int{4 \sin{\left(2 x \right)} d x}\right)}}}{4}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=4$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \sin{\left(x \right)}$$$ に対して適用する:

$$\frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{\int{4 \sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{4 \sin{\left(x \right)} d x}}}}{4} = \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{\int{4 \sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - \frac{{\color{red}{\left(4 \int{\sin{\left(x \right)} d x}\right)}}}{4}$$

正弦関数の不定積分は$$$\int{\sin{\left(x \right)} d x} = - \cos{\left(x \right)}$$$です:

$$\frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{\int{4 \sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - {\color{red}{\int{\sin{\left(x \right)} d x}}} = \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{\int{4 \sin{\left(2 x \right)} d x}}{4} - {\color{red}{\left(- \cos{\left(x \right)}\right)}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=4$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \sin{\left(2 x \right)}$$$ に対して適用する:

$$\cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{4 \sin{\left(2 x \right)} d x}}}}{4} = \cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\left(4 \int{\sin{\left(2 x \right)} d x}\right)}}}{4}$$

$$$u=2 x$$$ 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、

$$\cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + {\color{red}{\int{\sin{\left(2 x \right)} d x}}} = \cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{2} d u}}}$$

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

$$\cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(u \right)}}{2} d u}}} = \cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + {\color{red}{\left(\frac{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}$$

正弦関数の不定積分は$$$\int{\sin{\left(u \right)} d u} = - \cos{\left(u \right)}$$$です:

$$\cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\sin{\left(u \right)} d u}}}}{2} = \cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} + \frac{{\color{red}{\left(- \cos{\left(u \right)}\right)}}}{2}$$

次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:

$$\cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} - \frac{\cos{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} = \cos{\left(x \right)} + \frac{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}{2} - \frac{\cos{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{2}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=4$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}$$$ に対して適用する:

$$\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{4 \sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}}}{2} = \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\left(4 \int{\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}\right)}}}{2}$$

$$$u=\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\right)^{\prime }dx = \frac{3 \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}}{2} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} dx = \frac{2 du}{3}$$$ となります。

積分は次のようになります

$$\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + 2 {\color{red}{\int{\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x}}} = \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + 2 {\color{red}{\int{\frac{2 u}{3} d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{2}{3}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = u$$$ に対して適用する:

$$\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + 2 {\color{red}{\int{\frac{2 u}{3} d u}}} = \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + 2 {\color{red}{\left(\frac{2 \int{u d u}}{3}\right)}}$$

$$$n=1$$$ 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:

$$\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{4 {\color{red}{\int{u d u}}}}{3}=\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{4 {\color{red}{\frac{u^{1 + 1}}{1 + 1}}}}{3}=\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{4 {\color{red}{\left(\frac{u^{2}}{2}\right)}}}{3}$$

次のことを思い出してください $$$u=\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)}$$$:

$$\cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{2 {\color{red}{u}}^{2}}{3} = \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{2 {\color{red}{\sin{\left(\frac{3 x}{2} \right)}}}^{2}}{3}$$

したがって、

$$\int{4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x} = \frac{2 \sin^{2}{\left(\frac{3 x}{2} \right)}}{3} + \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2}$$

簡単化せよ:

$$\int{4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x} = - \cos^{2}{\left(x \right)} + \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(3 x \right)}}{3} + \frac{5}{6}$$

積分定数を加える（式から定数を取り除く）：

$$\int{4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)} d x} = - \cos^{2}{\left(x \right)} + \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(3 x \right)}}{3}+C$$

$$$\int 4 \sin{\left(x \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} \right)} \cos{\left(\frac{3 x}{2} \right)}\, dx = \left(- \cos^{2}{\left(x \right)} + \cos{\left(x \right)} - \frac{\cos{\left(3 x \right)}}{3}\right) + C$$$A