$$$\cot^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} \csc^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$の積分

$$$\int \cot^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} \csc^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}\, dx$$$ を求めよ。

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

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

したがって、

$${\color{red}{\int{\cot^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} \csc^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(- 2 u^{2}\right)d u}}}$$

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

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

$$$n=2$$$ 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:

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

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

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

したがって、

$$\int{\cot^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} \csc^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} d x} = - \frac{2 \cot^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}{3}$$

積分定数を加える:

$$\int{\cot^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} \csc^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)} d x} = - \frac{2 \cot^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}{3}+C$$

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