$$$\cos^{4}{\left(x \right)}$$$の積分

$$$\int \cos^{4}{\left(x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

冪低減公式 $$$\cos^{4}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{\cos{\left(4 \alpha \right)}}{8} + \frac{3}{8}$$$ を $$$\alpha=x$$$ に適用する:

$${\color{red}{\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{\cos{\left(4 x \right)}}{8} + \frac{3}{8}\right)d x}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{8}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = 4 \cos{\left(2 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)} + 3$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{\cos{\left(4 x \right)}}{8} + \frac{3}{8}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(4 \cos{\left(2 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)} + 3\right)d x}}{8}\right)}}$$

項別に積分せよ:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(4 \cos{\left(2 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)} + 3\right)d x}}}}{8} = \frac{{\color{red}{\left(\int{3 d x} + \int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x} + \int{\cos{\left(4 x \right)} d x}\right)}}}{8}$$

$$$c=3$$$ に対して定数則 $$$\int c\, dx = c x$$$ を適用する:

$$\frac{\int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x}}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{3 d x}}}}{8} = \frac{\int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x}}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(3 x\right)}}}{8}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x}}}}{8} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(4 \int{\cos{\left(2 x \right)} d x}\right)}}}{8}$$

$$$u=2 x$$$ 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、

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(2 x \right)} d x}}}}{2} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{2} d u}}}}{2}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{2} d u}}}}{2} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}}{2}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}}}{4} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\sin{\left(u \right)}}}}{4}$$

次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{\sin{\left({\color{red}{u}} \right)}}{4} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{4}$$

$$$u=4 x$$$ とする。

すると $$$du=\left(4 x\right)^{\prime }dx = 4 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = \frac{du}{4}$$$ となります。

この積分は次のように書き換えられる

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}}}{8} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{4} d u}}}}{8}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{4}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \cos{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{4} d u}}}}{8} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}{4}\right)}}}{8}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}}}{32} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\sin{\left(u \right)}}}}{32}$$

次のことを思い出してください $$$u=4 x$$$:

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{\sin{\left({\color{red}{u}} \right)}}{32} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(4 x\right)}} \right)}}{32}$$

したがって、

$$\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{\sin{\left(4 x \right)}}{32}$$

簡単化せよ:

$$\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{12 x + 8 \sin{\left(2 x \right)} + \sin{\left(4 x \right)}}{32}$$

積分定数を加える:

$$\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{12 x + 8 \sin{\left(2 x \right)} + \sin{\left(4 x \right)}}{32}+C$$

$$$\int \cos^{4}{\left(x \right)}\, dx = \frac{12 x + 8 \sin{\left(2 x \right)} + \sin{\left(4 x \right)}}{32} + C$$$A