$$$64 \sec^{4}{\left(x \right)}$$$の積分

$$$\int 64 \sec^{4}{\left(x \right)}\, dx$$$ 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、$$$c=64$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \sec^{4}{\left(x \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{64 \sec^{4}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\left(64 \int{\sec^{4}{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

正割を2つ取り出し、残りはすべて正接で表し、$$$\alpha=x$$$ を用いる公式 $$$\sec^2\left( \alpha \right)=\tan^2\left( \alpha \right) + 1$$$ を用いる:

$$64 {\color{red}{\int{\sec^{4}{\left(x \right)} d x}}} = 64 {\color{red}{\int{\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1\right) \sec^{2}{\left(x \right)} d x}}}$$

$$$u=\tan{\left(x \right)}$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

$$64 {\color{red}{\int{\left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 1\right) \sec^{2}{\left(x \right)} d x}}} = 64 {\color{red}{\int{\left(u^{2} + 1\right)d u}}}$$

項別に積分せよ:

$$64 {\color{red}{\int{\left(u^{2} + 1\right)d u}}} = 64 {\color{red}{\left(\int{1 d u} + \int{u^{2} d u}\right)}}$$

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

$$64 \int{u^{2} d u} + 64 {\color{red}{\int{1 d u}}} = 64 \int{u^{2} d u} + 64 {\color{red}{u}}$$

$$$n=2$$$ 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:

$$64 u + 64 {\color{red}{\int{u^{2} d u}}}=64 u + 64 {\color{red}{\frac{u^{1 + 2}}{1 + 2}}}=64 u + 64 {\color{red}{\left(\frac{u^{3}}{3}\right)}}$$

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

$$64 {\color{red}{u}} + \frac{64 {\color{red}{u}}^{3}}{3} = 64 {\color{red}{\tan{\left(x \right)}}} + \frac{64 {\color{red}{\tan{\left(x \right)}}}^{3}}{3}$$

したがって、

$$\int{64 \sec^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{64 \tan^{3}{\left(x \right)}}{3} + 64 \tan{\left(x \right)}$$

簡単化せよ:

$$\int{64 \sec^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{64 \left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 3\right) \tan{\left(x \right)}}{3}$$

積分定数を加える:

$$\int{64 \sec^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{64 \left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 3\right) \tan{\left(x \right)}}{3}+C$$

$$$\int 64 \sec^{4}{\left(x \right)}\, dx = \frac{64 \left(\tan^{2}{\left(x \right)} + 3\right) \tan{\left(x \right)}}{3} + C$$$A