$$$\cos{\left(2 x \right)} \tan{\left(x \right)}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$\cos{\left(2 x \right)} \tan{\left(x \right)}$$$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。
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入力内容

$$$\int \cos{\left(2 x \right)} \tan{\left(x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

解答

余弦の二倍角の公式を用いて被積分関数を書き換えなさい $$$\cos{\left(2 x \right)}=2 \cos^{2}{\left(x \right)} - 1$$$:

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

書き換える:

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

項別に積分せよ:

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

正接を$$$\tan\left(x\right)=\frac{\sin\left(x\right)}{\cos\left(x\right)}$$$に書き換える:

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

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ 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。

したがって、

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

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

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

$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:

$$\int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x} + {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}} = \int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x} + {\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}$$

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

$$\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} + \int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x} = \ln{\left(\left|{{\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}\right| \right)} + \int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x}$$

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

$$\ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + {\color{red}{\int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x}}} = \ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + {\color{red}{\left(2 \int{\cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

被積分関数を書き換える:

$$\ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + 2 {\color{red}{\int{\cos^{2}{\left(x \right)} \tan{\left(x \right)} d x}}} = \ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + 2 {\color{red}{\int{\sin{\left(x \right)} \cos{\left(x \right)} d x}}}$$

$$$u=\sin{\left(x \right)}$$$ とする。

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

したがって、

$$\ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + 2 {\color{red}{\int{\sin{\left(x \right)} \cos{\left(x \right)} d x}}} = \ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + 2 {\color{red}{\int{u d u}}}$$

$$$n=1$$$ 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:

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

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

$$\ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + {\color{red}{u}}^{2} = \ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + {\color{red}{\sin{\left(x \right)}}}^{2}$$

したがって、

$$\int{\cos{\left(2 x \right)} \tan{\left(x \right)} d x} = \ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + \sin^{2}{\left(x \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\cos{\left(2 x \right)} \tan{\left(x \right)} d x} = \ln{\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right| \right)} + \sin^{2}{\left(x \right)}+C$$

解答

$$$\int \cos{\left(2 x \right)} \tan{\left(x \right)}\, dx = \left(\ln\left(\left|{\cos{\left(x \right)}}\right|\right) + \sin^{2}{\left(x \right)}\right) + C$$$A