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

この計算機は、手順を示しながら$$$\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}$$$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。

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入力内容

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

三角関数は引数をラジアンで解釈します。引数を度で入力するには、pi/180 を掛けてください。例えば 45° は 45*pi/180 と書きます。あるいは末尾に 'd' を付けた対応する関数を使います。例えば sin(45°) は sind(45) と書きます。

解答

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

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

余接関数で表せ:

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

$$$u=\cot{\left(x \right)}$$$ 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。

この積分は次のように書き換えられる

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

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:

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

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

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

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

$$- \sin{\left(1 \right)} \left(- \operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)} + {\color{red}{u}}\right) = - \sin{\left(1 \right)} \left(- \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\cot{\left(x \right)}}} \right)} + {\color{red}{\cot{\left(x \right)}}}\right)$$

したがって、

$$\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = - \left(\cot{\left(x \right)} - \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)}$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}} d x} = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)}+C$$

解答

$$$\int \frac{\sin{\left(1 \right)} \cos^{2}{\left(x \right)}}{\sin^{2}{\left(x \right)}}\, dx = \left(- \cot{\left(x \right)} + \operatorname{atan}{\left(\cot{\left(x \right)} \right)}\right) \sin{\left(1 \right)} + C$$$A


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