$$$- \frac{a^{2}}{\sin{\left(x \right)}} + \sin{\left(x \right)}$$$$$$x$$$ に関する積分

この計算機は、$$$x$$$ に関して $$$- \frac{a^{2}}{\sin{\left(x \right)}} + \sin{\left(x \right)}$$$ の積分/原始関数を、手順を示しながら求めます。

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

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

解答

項別に積分せよ:

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

二倍角の公式を用いて正弦を書き換える $$$\sin\left(x\right)=2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\cos\left(\frac{x}{2}\right)$$$:

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

分子と分母に$$$\sec^2\left(\frac{x}{2} \right)$$$を掛ける:

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

$$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$:

$$- a^{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} + \int{\sin{\left(x \right)} d x} = - a^{2} \ln{\left(\left|{{\color{red}{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}}}\right| \right)} + \int{\sin{\left(x \right)} d x}$$

正弦関数の不定積分は$$$\int{\sin{\left(x \right)} d x} = - \cos{\left(x \right)}$$$です:

$$- a^{2} \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right| \right)} + {\color{red}{\int{\sin{\left(x \right)} d x}}} = - a^{2} \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right| \right)} + {\color{red}{\left(- \cos{\left(x \right)}\right)}}$$

したがって、

$$\int{\left(- \frac{a^{2}}{\sin{\left(x \right)}} + \sin{\left(x \right)}\right)d x} = - a^{2} \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right| \right)} - \cos{\left(x \right)}$$

積分定数を加える:

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

解答

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


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