$$$\tan{\left(4 x \right)} \csc{\left(4 x \right)}$$$の積分

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

被積分関数を書き換える:

$${\color{red}{\int{\tan{\left(4 x \right)} \csc{\left(4 x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{1}{\cos{\left(4 x \right)}} d x}}}$$

公式 $$$\cos\left(4 x\right)=\sin\left(4 x + \frac{\pi}{2}\right)$$$ を用いて余弦を正弦で表し、次に2倍角の公式 $$$\sin\left(4 x\right)=2\sin\left(\frac{4 x}{2}\right)\cos\left(\frac{4 x}{2}\right)$$$ を用いて正弦を書き換えなさい。:

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

分子と分母に$$$\sec^2\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)$$$を掛ける:

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

$$$u=\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}\right)^{\prime }dx = 2 \sec^{2}{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\sec^{2}{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)} dx = \frac{du}{2}$$$ となります。

したがって、

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

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

$${\color{red}{\int{\frac{1}{4 u} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{u} d u}}{4}\right)}}$$

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

$$\frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{4}$$

次のことを思い出してください $$$u=\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}$$$:

$$\frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{4} = \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}}}}\right| \right)}}{4}$$

したがって、

$$\int{\tan{\left(4 x \right)} \csc{\left(4 x \right)} d x} = \frac{\ln{\left(\left|{\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}}\right| \right)}}{4}$$

積分定数を加える:

$$\int{\tan{\left(4 x \right)} \csc{\left(4 x \right)} d x} = \frac{\ln{\left(\left|{\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}}\right| \right)}}{4}+C$$

$$$\int \tan{\left(4 x \right)} \csc{\left(4 x \right)}\, dx = \frac{\ln\left(\left|{\tan{\left(2 x + \frac{\pi}{4} \right)}}\right|\right)}{4} + C$$$A