$$$\sin^{5}{\left(x \right)}$$$の積分

$$$\int \sin^{5}{\left(x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

正弦を1つ取り出し、残りは余弦で表し、$$$\alpha=x$$$ に対する公式 $$$\sin^2\left(\alpha \right)=-\cos^2\left(\alpha \right)+1$$$ を用いよ。:

$${\color{red}{\int{\sin^{5}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(1 - \cos^{2}{\left(x \right)}\right)^{2} \sin{\left(x \right)} d x}}}$$

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

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

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

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

Expand the expression:

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

項別に積分せよ:

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

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

$$\int{2 u^{2} d u} - \int{u^{4} d u} - {\color{red}{\int{1 d u}}} = \int{2 u^{2} d u} - \int{u^{4} d u} - {\color{red}{u}}$$

$$$n=4$$$ 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:

$$- u + \int{2 u^{2} d u} - {\color{red}{\int{u^{4} d u}}}=- u + \int{2 u^{2} d u} - {\color{red}{\frac{u^{1 + 4}}{1 + 4}}}=- u + \int{2 u^{2} d u} - {\color{red}{\left(\frac{u^{5}}{5}\right)}}$$

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

$$- \frac{u^{5}}{5} - u + {\color{red}{\int{2 u^{2} d u}}} = - \frac{u^{5}}{5} - u + {\color{red}{\left(2 \int{u^{2} d u}\right)}}$$

$$$n=2$$$ 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:

$$- \frac{u^{5}}{5} - u + 2 {\color{red}{\int{u^{2} d u}}}=- \frac{u^{5}}{5} - u + 2 {\color{red}{\frac{u^{1 + 2}}{1 + 2}}}=- \frac{u^{5}}{5} - u + 2 {\color{red}{\left(\frac{u^{3}}{3}\right)}}$$

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

$$- {\color{red}{u}} + \frac{2 {\color{red}{u}}^{3}}{3} - \frac{{\color{red}{u}}^{5}}{5} = - {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}} + \frac{2 {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}^{3}}{3} - \frac{{\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}^{5}}{5}$$

したがって、

$$\int{\sin^{5}{\left(x \right)} d x} = - \frac{\cos^{5}{\left(x \right)}}{5} + \frac{2 \cos^{3}{\left(x \right)}}{3} - \cos{\left(x \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\sin^{5}{\left(x \right)} d x} = - \frac{\cos^{5}{\left(x \right)}}{5} + \frac{2 \cos^{3}{\left(x \right)}}{3} - \cos{\left(x \right)}+C$$

$$$\int \sin^{5}{\left(x \right)}\, dx = \left(- \frac{\cos^{5}{\left(x \right)}}{5} + \frac{2 \cos^{3}{\left(x \right)}}{3} - \cos{\left(x \right)}\right) + C$$$A