$$$\left(- \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} + \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{2}$$$ 的積分

求$$$\int \left(- \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} + \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{2}\, dx$$$。

令 $$$u=\frac{x}{2}$$$。

則 $$$du=\left(\frac{x}{2}\right)^{\prime }dx = \frac{dx}{2}$$$ (步驟見»)，並可得 $$$dx = 2 du$$$。

因此，

$${\color{red}{\int{\left(- \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} + \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{2} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(2 - 2 \sin{\left(2 u \right)}\right)d u}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=2$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = 1 - \sin{\left(2 u \right)}$$$：

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

逐項積分：

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

配合 $$$c=1$$$，應用常數法則 $$$\int c\, du = c u$$$：

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

令 $$$v=2 u$$$。

則 $$$dv=\left(2 u\right)^{\prime }du = 2 du$$$ (步驟見»)，並可得 $$$du = \frac{dv}{2}$$$。

因此，

$$2 u - 2 {\color{red}{\int{\sin{\left(2 u \right)} d u}}} = 2 u - 2 {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(v \right)}}{2} d v}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$，使用 $$$c=\frac{1}{2}$$$ 與 $$$f{\left(v \right)} = \sin{\left(v \right)}$$$：

$$2 u - 2 {\color{red}{\int{\frac{\sin{\left(v \right)}}{2} d v}}} = 2 u - 2 {\color{red}{\left(\frac{\int{\sin{\left(v \right)} d v}}{2}\right)}}$$

正弦函數的積分為 $$$\int{\sin{\left(v \right)} d v} = - \cos{\left(v \right)}$$$：

$$2 u - {\color{red}{\int{\sin{\left(v \right)} d v}}} = 2 u - {\color{red}{\left(- \cos{\left(v \right)}\right)}}$$

回顧一下 $$$v=2 u$$$：

$$2 u + \cos{\left({\color{red}{v}} \right)} = 2 u + \cos{\left({\color{red}{\left(2 u\right)}} \right)}$$

回顧一下 $$$u=\frac{x}{2}$$$：

$$\cos{\left(2 {\color{red}{u}} \right)} + 2 {\color{red}{u}} = \cos{\left(2 {\color{red}{\left(\frac{x}{2}\right)}} \right)} + 2 {\color{red}{\left(\frac{x}{2}\right)}}$$

因此，

$$\int{\left(- \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} + \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{2} d x} = x + \cos{\left(x \right)}$$

加上積分常數：

$$\int{\left(- \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} + \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{2} d x} = x + \cos{\left(x \right)}+C$$

$$$\int \left(- \sin{\left(\frac{x}{2} \right)} + \cos{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)^{2}\, dx = \left(x + \cos{\left(x \right)}\right) + C$$$A