$$$- \tan{\left(x \right)} + \sec{\left(x \right)}$$$の積分

この計算機は、手順を示しながら$$$- \tan{\left(x \right)} + \sec{\left(x \right)}$$$の不定積分(原始関数)を求めます。

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$$$dx$$$$$$dy$$$ などの微分記号を使わずに書いてください。
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入力内容

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

解答

項別に積分せよ:

$${\color{red}{\int{\left(- \tan{\left(x \right)} + \sec{\left(x \right)}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(- \int{\tan{\left(x \right)} d x} + \int{\sec{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

正接を$$$\tan\left(x\right)=\frac{\sin\left(x\right)}{\cos\left(x\right)}$$$に書き換える:

$$\int{\sec{\left(x \right)} d x} - {\color{red}{\int{\tan{\left(x \right)} d x}}} = \int{\sec{\left(x \right)} d x} - {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(x \right)}}{\cos{\left(x \right)}} d x}}}$$

$$$u=\cos{\left(x \right)}$$$ 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。

したがって、

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

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

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

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

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

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

$$\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} + \int{\sec{\left(x \right)} d x} = \ln{\left(\left|{{\color{red}{\cos{\left(x \right)}}}}\right| \right)} + \int{\sec{\left(x \right)} d x}$$

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

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

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。:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

解答

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