$$$\frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$\frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}$$$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。
自動検出のため、空欄のままにしてください。

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入力内容

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

解答

余接関数で表せ:

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

$$$u=\cot{\left(x \right)}$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, du = c u$$$ を適用する:

$$\int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} - {\color{red}{\int{1 d u}}} = \int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} - {\color{red}{u}}$$

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

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

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

$$\operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)} - {\color{red}{u}} = \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\cot{\left(x \right)}}} \right)} - {\color{red}{\cot{\left(x \right)}}}$$

したがって、

$$\int{\frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = - \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = - \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}+C$$

解答

$$$\int \frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}\, dx = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) + C$$$A


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