$$$\tan^{3}{\left(97 x \right)} \sec^{3}{\left(97 x \right)}$$$の積分

$$$\int \tan^{3}{\left(97 x \right)} \sec^{3}{\left(97 x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=97 x$$$ とする。

すると $$$du=\left(97 x\right)^{\prime }dx = 97 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = \frac{du}{97}$$$ となります。

したがって、

$${\color{red}{\int{\tan^{3}{\left(97 x \right)} \sec^{3}{\left(97 x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)}}{97} d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{97}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \tan^{3}{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)}}{97} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)} d u}}{97}\right)}}$$

正接を1つ取り出し、公式 $$$\tan^2\left( u \right)=\sec^2\left( u \right)-1$$$ を用いて、残りはすべて正割で表せ:

$$\frac{{\color{red}{\int{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)} d u}}}}{97} = \frac{{\color{red}{\int{\left(\sec^{2}{\left(u \right)} - 1\right) \tan{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)} d u}}}}{97}$$

$$$v=\sec{\left(u \right)}$$$ とする。

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

したがって、

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(\sec^{2}{\left(u \right)} - 1\right) \tan{\left(u \right)} \sec^{3}{\left(u \right)} d u}}}}{97} = \frac{{\color{red}{\int{v^{2} \left(v^{2} - 1\right) d v}}}}{97}$$

Expand the expression:

$$\frac{{\color{red}{\int{v^{2} \left(v^{2} - 1\right) d v}}}}{97} = \frac{{\color{red}{\int{\left(v^{4} - v^{2}\right)d v}}}}{97}$$

項別に積分せよ:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(v^{4} - v^{2}\right)d v}}}}{97} = \frac{{\color{red}{\left(- \int{v^{2} d v} + \int{v^{4} d v}\right)}}}{97}$$

$$$n=4$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int v^{n}\, dv = \frac{v^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

$$- \frac{\int{v^{2} d v}}{97} + \frac{{\color{red}{\int{v^{4} d v}}}}{97}=- \frac{\int{v^{2} d v}}{97} + \frac{{\color{red}{\frac{v^{1 + 4}}{1 + 4}}}}{97}=- \frac{\int{v^{2} d v}}{97} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{v^{5}}{5}\right)}}}{97}$$

$$$n=2$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int v^{n}\, dv = \frac{v^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

$$\frac{v^{5}}{485} - \frac{{\color{red}{\int{v^{2} d v}}}}{97}=\frac{v^{5}}{485} - \frac{{\color{red}{\frac{v^{1 + 2}}{1 + 2}}}}{97}=\frac{v^{5}}{485} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{v^{3}}{3}\right)}}}{97}$$

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

$$- \frac{{\color{red}{v}}^{3}}{291} + \frac{{\color{red}{v}}^{5}}{485} = - \frac{{\color{red}{\sec{\left(u \right)}}}^{3}}{291} + \frac{{\color{red}{\sec{\left(u \right)}}}^{5}}{485}$$

次のことを思い出してください $$$u=97 x$$$:

$$- \frac{\sec^{3}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{291} + \frac{\sec^{5}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{485} = - \frac{\sec^{3}{\left({\color{red}{\left(97 x\right)}} \right)}}{291} + \frac{\sec^{5}{\left({\color{red}{\left(97 x\right)}} \right)}}{485}$$

したがって、

$$\int{\tan^{3}{\left(97 x \right)} \sec^{3}{\left(97 x \right)} d x} = \frac{\sec^{5}{\left(97 x \right)}}{485} - \frac{\sec^{3}{\left(97 x \right)}}{291}$$

積分定数を加える:

$$\int{\tan^{3}{\left(97 x \right)} \sec^{3}{\left(97 x \right)} d x} = \frac{\sec^{5}{\left(97 x \right)}}{485} - \frac{\sec^{3}{\left(97 x \right)}}{291}+C$$

$$$\int \tan^{3}{\left(97 x \right)} \sec^{3}{\left(97 x \right)}\, dx = \left(\frac{\sec^{5}{\left(97 x \right)}}{485} - \frac{\sec^{3}{\left(97 x \right)}}{291}\right) + C$$$A