$$$\frac{1}{2 - \cos{\left(2 x \right)}}$$$の積分

$$$\int \frac{1}{2 - \cos{\left(2 x \right)}}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=2 x$$$ 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

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

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

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

公式$$$\cos{\left( u \right)}=\frac{1 - \tan^{2}{\left(\frac{ u }{2} \right)}}{\tan^{2}{\left(\frac{ u }{2} \right)} + 1}$$$を用いて被積分関数を書き換えよ:

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

$$$v=\tan{\left(\frac{u}{2} \right)}$$$ とする。

すると $$$u=2 \operatorname{atan}{\left(v \right)}$$$ および $$$du=\left(2 \operatorname{atan}{\left(v \right)}\right)^{\prime }dv = \frac{2}{v^{2} + 1} dv$$$（手順は»で確認できます）。

したがって、

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

簡単化:

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ を、$$$c=-2$$$ と $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{3 v^{2} + 1}$$$ に対して適用する:

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

$$$w=\sqrt{3} v$$$ とする。

すると $$$dw=\left(\sqrt{3} v\right)^{\prime }dv = \sqrt{3} dv$$$（手順は»で確認できます）、$$$dv = \frac{\sqrt{3} dw}{3}$$$ となります。

したがって、

$${\color{red}{\int{\frac{1}{3 v^{2} + 1} d v}}} = {\color{red}{\int{\frac{\sqrt{3}}{3 \left(w^{2} + 1\right)} d w}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(w \right)}\, dw = c \int f{\left(w \right)}\, dw$$$ を、$$$c=\frac{\sqrt{3}}{3}$$$ と $$$f{\left(w \right)} = \frac{1}{w^{2} + 1}$$$ に対して適用する:

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

$$$\frac{1}{w^{2} + 1}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{w^{2} + 1} d w} = \operatorname{atan}{\left(w \right)}$$$ です:

$$\frac{\sqrt{3} {\color{red}{\int{\frac{1}{w^{2} + 1} d w}}}}{3} = \frac{\sqrt{3} {\color{red}{\operatorname{atan}{\left(w \right)}}}}{3}$$

次のことを思い出してください $$$w=\sqrt{3} v$$$:

$$\frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left({\color{red}{w}} \right)}}{3} = \frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\sqrt{3} v}} \right)}}{3}$$

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

$$\frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} {\color{red}{v}} \right)}}{3} = \frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} {\color{red}{\tan{\left(\frac{u}{2} \right)}}} \right)}}{3}$$

次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:

$$\frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} \tan{\left(\frac{{\color{red}{u}}}{2} \right)} \right)}}{3} = \frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} \tan{\left(\frac{{\color{red}{\left(2 x\right)}}}{2} \right)} \right)}}{3}$$

したがって、

$$\int{\frac{1}{2 - \cos{\left(2 x \right)}} d x} = \frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} \tan{\left(x \right)} \right)}}{3}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{1}{2 - \cos{\left(2 x \right)}} d x} = \frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} \tan{\left(x \right)} \right)}}{3}+C$$

$$$\int \frac{1}{2 - \cos{\left(2 x \right)}}\, dx = \frac{\sqrt{3} \operatorname{atan}{\left(\sqrt{3} \tan{\left(x \right)} \right)}}{3} + C$$$A