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

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

二倍角の公式を用いて余弦を書き換えてください $$$\cos{\left(2 x \right)} = 2 \cos^{2}{\left(x \right)} - 1$$$:

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

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ 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。

積分は次のようになります

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

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

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

部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$v=\sqrt{2} u - 1$$$ とする。

すると $$$dv=\left(\sqrt{2} u - 1\right)^{\prime }du = \sqrt{2} du$$$（手順は»で確認できます）、$$$du = \frac{\sqrt{2} dv}{2}$$$ となります。

したがって、

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ を、$$$c=\frac{\sqrt{2}}{2}$$$ と $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$ に対して適用する:

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

$$$\frac{1}{v}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$ です:

$$\int{\frac{1}{2 \left(\sqrt{2} u + 1\right)} d u} - \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{4} = \int{\frac{1}{2 \left(\sqrt{2} u + 1\right)} d u} - \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{4}$$

次のことを思い出してください $$$v=\sqrt{2} u - 1$$$:

$$- \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{4} + \int{\frac{1}{2 \left(\sqrt{2} u + 1\right)} d u} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(\sqrt{2} u - 1\right)}}}\right| \right)}}{4} + \int{\frac{1}{2 \left(\sqrt{2} u + 1\right)} d u}$$

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

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

$$$v=\sqrt{2} u + 1$$$ とする。

すると $$$dv=\left(\sqrt{2} u + 1\right)^{\prime }du = \sqrt{2} du$$$（手順は»で確認できます）、$$$du = \frac{\sqrt{2} dv}{2}$$$ となります。

したがって、

$$- \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{\sqrt{2} u + 1} d u}}}}{2} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\sqrt{2}}{2 v} d v}}}}{2}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ を、$$$c=\frac{\sqrt{2}}{2}$$$ と $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$ に対して適用する:

$$- \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\sqrt{2}}{2 v} d v}}}}{2} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\sqrt{2} \int{\frac{1}{v} d v}}{2}\right)}}}{2}$$

$$$\frac{1}{v}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$ です:

$$- \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{4} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} {\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{4}$$

次のことを思い出してください $$$v=\sqrt{2} u + 1$$$:

$$- \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{4} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} u - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(\sqrt{2} u + 1\right)}}}\right| \right)}}{4}$$

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

$$- \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{-1 + \sqrt{2} {\color{red}{u}}}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{1 + \sqrt{2} {\color{red}{u}}}\right| \right)}}{4} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{-1 + \sqrt{2} {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{1 + \sqrt{2} {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}\right| \right)}}{4}$$

したがって、

$$\int{\frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos{\left(2 x \right)}} d x} = - \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} - 1}\right| \right)}}{4} + \frac{\sqrt{2} \ln{\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} + 1}\right| \right)}}{4}$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos{\left(2 x \right)}} d x} = \frac{\sqrt{2} \left(- \ln{\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} - 1}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} + 1}\right| \right)}\right)}{4}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos{\left(2 x \right)}} d x} = \frac{\sqrt{2} \left(- \ln{\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} - 1}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} + 1}\right| \right)}\right)}{4}+C$$

$$$\int \frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos{\left(2 x \right)}}\, dx = \frac{\sqrt{2} \left(- \ln\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} - 1}\right|\right) + \ln\left(\left|{\sqrt{2} \cos{\left(x \right)} + 1}\right|\right)\right)}{4} + C$$$A