$$$2 \sec{\left(x \right)}$$$の積分

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=2$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \sec{\left(x \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{2 \sec{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\left(2 \int{\sec{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

正割関数を$$$\sec\left(x\right)=\frac{1}{\cos\left(x\right)}$$$として書き換える:

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

公式 $$$\cos\left(x\right)=\sin\left(x + \frac{\pi}{2}\right)$$$ を用いて余弦を正弦で表し、次に2倍角の公式 $$$\sin\left(x\right)=2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\cos\left(\frac{x}{2}\right)$$$ を用いて正弦を書き換えなさい。:

$$2 {\color{red}{\int{\frac{1}{\cos{\left(x \right)}} d x}}} = 2 {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \sin{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}} d x}}}$$

分子と分母に$$$\sec^2\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)$$$を掛ける:

$$2 {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \sin{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)} \cos{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}} d x}}} = 2 {\color{red}{\int{\frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}{2 \tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}} d x}}}$$

$$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}\right)^{\prime }dx = \frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}{2} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)} dx = 2 du$$$ となります。

したがって、

$$2 {\color{red}{\int{\frac{\sec^{2}{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}{2 \tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}} d x}}} = 2 {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}$$

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

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

次のことを思い出してください $$$u=\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}$$$:

$$2 \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} = 2 \ln{\left(\left|{{\color{red}{\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}}}\right| \right)}$$

したがって、

$$\int{2 \sec{\left(x \right)} d x} = 2 \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}\right| \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{2 \sec{\left(x \right)} d x} = 2 \ln{\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}\right| \right)}+C$$

$$$\int 2 \sec{\left(x \right)}\, dx = 2 \ln\left(\left|{\tan{\left(\frac{x}{2} + \frac{\pi}{4} \right)}}\right|\right) + C$$$A