$$$\frac{\cos^{3}{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}}$$$の積分

$$$\int \frac{\cos^{3}{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}}\, dx$$$ を求めよ。

分子と分母の両方に正弦を1つ掛け、残りはすべて余弦で表し、$$$\alpha=x$$$ を用いて公式 $$$\sin^2\left(\alpha \right)=-\cos^2\left(\alpha \right)+1$$$ を使う。:

$${\color{red}{\int{\frac{\cos^{3}{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(x \right)} \cos^{3}{\left(x \right)}}{1 - \cos^{2}{\left(x \right)}} d x}}}$$

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ 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。

この積分は次のように書き換えられる

$${\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(x \right)} \cos^{3}{\left(x \right)}}{1 - \cos^{2}{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(- \frac{u^{3}}{1 - u^{2}}\right)d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=-1$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{u^{3}}{1 - u^{2}}$$$ に対して適用する:

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

分子の次数が分母の次数以上であるため、多項式の長除法を行います（手順は»で確認できます）:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$v=1 - u^{2}$$$ とする。

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

したがって、

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

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 $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$ に対して適用する:

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

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

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

次のことを思い出してください $$$v=1 - u^{2}$$$:

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

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

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

したがって、

$$\int{\frac{\cos^{3}{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}} d x} = \frac{\ln{\left(\left|{\cos^{2}{\left(x \right)} - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{2}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\cos^{3}{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}} d x} = \frac{\ln{\left(\left|{\cos^{2}{\left(x \right)} - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{2}+C$$

$$$\int \frac{\cos^{3}{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}}\, dx = \left(\frac{\ln\left(\left|{\cos^{2}{\left(x \right)} - 1}\right|\right)}{2} + \frac{\cos^{2}{\left(x \right)}}{2}\right) + C$$$A