$$$\frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$\frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}}$$$の不定積分(原始関数)を求めます。

関連する計算機: 定積分・広義積分計算機

$$$dx$$$$$$dy$$$ などの微分記号を使わずに書いてください。
自動検出のため、空欄のままにしてください。

計算機が計算を実行できなかった場合、エラーを見つけた場合、またはご提案・フィードバックがある場合は、お問い合わせください

入力内容

$$$\int \frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}}\, dx$$$ を求めよ。

解答

分子と分母に$$$\frac{1}{\cos^{4}{\left(x \right)}}$$$を掛け、$$$\frac{\cos^{4}{\left(x \right)}}{\sin^{4}{\left(x \right)}}$$$$$$\frac{1}{\tan^{4}{\left(x \right)}}$$$に変換します。:

$${\color{red}{\int{\frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{1}{\cos^{8}{\left(x \right)} \tan^{4}{\left(x \right)}} d x}}}$$

余弦を2つくくり出し、公式 $$$\frac{1}{\cos^{2}{\left(x \right)}}=\sec^{2}{\left(x \right)}$$$ を用いて正割で表し直しなさい。:

$${\color{red}{\int{\frac{1}{\cos^{8}{\left(x \right)} \tan^{4}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\sec^{2}{\left(x \right)}}{\cos^{6}{\left(x \right)} \tan^{4}{\left(x \right)}} d x}}}$$

公式 $$$\cos^{2}{\left(x \right)}=\frac{1}{\tan^{2}{\left(x \right)} + 1}$$$ を用いて、余弦を正接で表せ。:

$${\color{red}{\int{\frac{\sec^{2}{\left(x \right)}}{\cos^{6}{\left(x \right)} \tan^{4}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1\right)^{3} \sec^{2}{\left(x \right)}}{\tan^{4}{\left(x \right)}} d x}}}$$

$$$u=\tan{\left(x \right)}$$$ とする。

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

積分は次のようになります

$${\color{red}{\int{\frac{\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1\right)^{3} \sec^{2}{\left(x \right)}}{\tan^{4}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\left(u^{2} + 1\right)^{3}}{u^{4}} d u}}}$$

Expand the expression:

$${\color{red}{\int{\frac{\left(u^{2} + 1\right)^{3}}{u^{4}} d u}}} = {\color{red}{\int{\left(u^{2} + 3 + \frac{3}{u^{2}} + \frac{1}{u^{4}}\right)d u}}}$$

項別に積分せよ:

$${\color{red}{\int{\left(u^{2} + 3 + \frac{3}{u^{2}} + \frac{1}{u^{4}}\right)d u}}} = {\color{red}{\left(\int{3 d u} + \int{\frac{1}{u^{4}} d u} + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u}\right)}}$$

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

$$\int{\frac{1}{u^{4}} d u} + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\int{3 d u}}} = \int{\frac{1}{u^{4}} d u} + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\left(3 u\right)}}$$

$$$n=-4$$$ 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:

$$3 u + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\int{\frac{1}{u^{4}} d u}}}=3 u + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\int{u^{-4} d u}}}=3 u + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\frac{u^{-4 + 1}}{-4 + 1}}}=3 u + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\left(- \frac{u^{-3}}{3}\right)}}=3 u + \int{\frac{3}{u^{2}} d u} + \int{u^{2} d u} + {\color{red}{\left(- \frac{1}{3 u^{3}}\right)}}$$

$$$n=2$$$ 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:

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

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

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

$$$n=-2$$$ 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:

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

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

$$- \frac{{\color{red}{u}}^{-3}}{3} - 3 {\color{red}{u}}^{-1} + 3 {\color{red}{u}} + \frac{{\color{red}{u}}^{3}}{3} = - \frac{{\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{-3}}{3} - 3 {\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{-1} + 3 {\color{red}{\tan{\left(x \right)}}} + \frac{{\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{3}}{3}$$

したがって、

$$\int{\frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}} d x} = \frac{\tan^{3}{\left(x \right)}}{3} + 3 \tan{\left(x \right)} - \frac{3}{\tan{\left(x \right)}} - \frac{1}{3 \tan^{3}{\left(x \right)}}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}} d x} = \frac{\tan^{3}{\left(x \right)}}{3} + 3 \tan{\left(x \right)} - \frac{3}{\tan{\left(x \right)}} - \frac{1}{3 \tan^{3}{\left(x \right)}}+C$$

解答

$$$\int \frac{1}{\sin^{4}{\left(x \right)} \cos^{4}{\left(x \right)}}\, dx = \left(\frac{\tan^{3}{\left(x \right)}}{3} + 3 \tan{\left(x \right)} - \frac{3}{\tan{\left(x \right)}} - \frac{1}{3 \tan^{3}{\left(x \right)}}\right) + C$$$A