$$$- \frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos^{2}{\left(x \right)}} + \cos^{2}{\left(x \right)}$$$の積分

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

関連する計算機: 定積分・広義積分計算機

$$$dx$$$$$$dy$$$ などの微分記号を使わずに書いてください。
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入力内容

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

解答

項別に積分せよ:

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

冪低減公式 $$$\cos^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{1}{2}$$$$$$\alpha=x$$$ に適用する:

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

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

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$u=2 x$$$ 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。

この積分は次のように書き換えられる

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

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

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

余弦の積分は$$$\int{\cos{\left(u \right)} d u} = \sin{\left(u \right)}$$$:

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

次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:

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

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

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

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

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

$$$n=-2$$$ 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:

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

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

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

したがって、

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

積分定数を加える:

$$\int{\left(- \frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos^{2}{\left(x \right)}} + \cos^{2}{\left(x \right)}\right)d x} = \frac{x}{2} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} - \frac{1}{\cos{\left(x \right)}}+C$$

解答

$$$\int \left(- \frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos^{2}{\left(x \right)}} + \cos^{2}{\left(x \right)}\right)\, dx = \left(\frac{x}{2} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} - \frac{1}{\cos{\left(x \right)}}\right) + C$$$A