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

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

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ 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

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

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

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

冪低減公式 $$$\cos^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{1}{2}$$$ を $$$\alpha= u $$$ に適用する:

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

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

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$v=2 u$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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

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

余弦の積分は$$$\int{\cos{\left(v \right)} d v} = \sin{\left(v \right)}$$$:

$$- \frac{u}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(v \right)} d v}}}}{4} = - \frac{u}{2} - \frac{{\color{red}{\sin{\left(v \right)}}}}{4}$$

次のことを思い出してください $$$v=2 u$$$:

$$- \frac{u}{2} - \frac{\sin{\left({\color{red}{v}} \right)}}{4} = - \frac{u}{2} - \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(2 u\right)}} \right)}}{4}$$

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

$$- \frac{\sin{\left(2 {\color{red}{u}} \right)}}{4} - \frac{{\color{red}{u}}}{2} = - \frac{\sin{\left(2 {\color{red}{\cos{\left(x \right)}}} \right)}}{4} - \frac{{\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}{2}$$

したがって、

$$\int{\sin{\left(x \right)} \cos^{2}{\left(\cos{\left(x \right)} \right)} d x} = - \frac{\sin{\left(2 \cos{\left(x \right)} \right)}}{4} - \frac{\cos{\left(x \right)}}{2}$$

積分定数を加える:

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

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