$$$\csc^{4}{\left(x \right)}$$$の積分

$$$\int \csc^{4}{\left(x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

2つの余割（cosecant）を因数として取り出し、残りは余接（cotangent）で表しなさい。$$$\alpha=x$$$ に関する公式 $$$\csc^2\left( \alpha \right)=\cot^2\left( \alpha \right)+1$$$ を用いてください。:

$${\color{red}{\int{\csc^{4}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(\cot^{2}{\left(x \right)} + 1\right) \csc^{2}{\left(x \right)} d x}}}$$

$$$u=\cot{\left(x \right)}$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$n=2$$$ 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:

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

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

$$- {\color{red}{u}} - \frac{{\color{red}{u}}^{3}}{3} = - {\color{red}{\cot{\left(x \right)}}} - \frac{{\color{red}{\cot{\left(x \right)}}}^{3}}{3}$$

したがって、

$$\int{\csc^{4}{\left(x \right)} d x} = - \frac{\cot^{3}{\left(x \right)}}{3} - \cot{\left(x \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\csc^{4}{\left(x \right)} d x} = - \frac{\cot^{3}{\left(x \right)}}{3} - \cot{\left(x \right)}+C$$

$$$\int \csc^{4}{\left(x \right)}\, dx = \left(- \frac{\cot^{3}{\left(x \right)}}{3} - \cot{\left(x \right)}\right) + C$$$A