$$$\frac{\sin{\left(2 x \right)} \cos{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}}$$$の積分
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入力内容
$$$\int \frac{\sin{\left(2 x \right)} \cos{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}}\, dx$$$ を求めよ。
解答
被積分関数を書き換える:
$${\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(2 x \right)} \cos{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}} d x}}} = {\color{red}{\int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} d x}}}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=2$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \cos^{2}{\left(x \right)}$$$ に対して適用する:
$${\color{red}{\int{2 \cos^{2}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\left(2 \int{\cos^{2}{\left(x \right)} d x}\right)}}$$
冪低減公式 $$$\cos^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{1}{2}$$$ を $$$\alpha=x$$$ に適用する:
$$2 {\color{red}{\int{\cos^{2}{\left(x \right)} d x}}} = 2 {\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{1}{2}\right)d x}}}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \cos{\left(2 x \right)} + 1$$$ に対して適用する:
$$2 {\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{1}{2}\right)d x}}} = 2 {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right)d x}}{2}\right)}}$$
項別に積分せよ:
$${\color{red}{\int{\left(\cos{\left(2 x \right)} + 1\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\int{1 d x} + \int{\cos{\left(2 x \right)} d x}\right)}}$$
$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, dx = c x$$$ を適用する:
$$\int{\cos{\left(2 x \right)} d x} + {\color{red}{\int{1 d x}}} = \int{\cos{\left(2 x \right)} d x} + {\color{red}{x}}$$
$$$u=2 x$$$ とする。
すると $$$du=\left(2 x\right)^{\prime }dx = 2 dx$$$(手順は»で確認できます)、$$$dx = \frac{du}{2}$$$ となります。
したがって、
$$x + {\color{red}{\int{\cos{\left(2 x \right)} d x}}} = x + {\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{2} d u}}}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \cos{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:
$$x + {\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{2} d u}}} = x + {\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}$$
余弦の積分は$$$\int{\cos{\left(u \right)} d u} = \sin{\left(u \right)}$$$:
$$x + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}}}{2} = x + \frac{{\color{red}{\sin{\left(u \right)}}}}{2}$$
次のことを思い出してください $$$u=2 x$$$:
$$x + \frac{\sin{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} = x + \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{2}$$
したがって、
$$\int{\frac{\sin{\left(2 x \right)} \cos{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}} d x} = x + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{2}$$
積分定数を加える:
$$\int{\frac{\sin{\left(2 x \right)} \cos{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}} d x} = x + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{2}+C$$
解答
$$$\int \frac{\sin{\left(2 x \right)} \cos{\left(x \right)}}{\sin{\left(x \right)}}\, dx = \left(x + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{2}\right) + C$$$A