$$$\operatorname{sech}{\left(x \right)}$$$の積分

$$$\int \operatorname{sech}{\left(x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

指数 $$$\operatorname{sech}\left(x\right)=\frac{2}{e^{\left(x\right)}+e^{-\left(x\right)}}$$$ を用いて双曲線正割を書き換えなさい:

$${\color{red}{\int{\operatorname{sech}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{2}{e^{x} + e^{- x}} d x}}}$$

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

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

Simplify:

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

$$$u=e^{x}$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=e^{x}$$$:

$$2 \operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)} = 2 \operatorname{atan}{\left({\color{red}{e^{x}}} \right)}$$

したがって、

$$\int{\operatorname{sech}{\left(x \right)} d x} = 2 \operatorname{atan}{\left(e^{x} \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\operatorname{sech}{\left(x \right)} d x} = 2 \operatorname{atan}{\left(e^{x} \right)}+C$$

$$$\int \operatorname{sech}{\left(x \right)}\, dx = 2 \operatorname{atan}{\left(e^{x} \right)} + C$$$A