$$$\cos^{4}{\left(x \right)}$$$ 的積分

求$$$\int \cos^{4}{\left(x \right)}\, dx$$$。

套用降冪公式 $$$\cos^{4}{\left(\alpha \right)} = \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2} + \frac{\cos{\left(4 \alpha \right)}}{8} + \frac{3}{8}$$$，令 $$$\alpha=x$$$:

$${\color{red}{\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{\cos{\left(4 x \right)}}{8} + \frac{3}{8}\right)d x}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$，使用 $$$c=\frac{1}{8}$$$ 與 $$$f{\left(x \right)} = 4 \cos{\left(2 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)} + 3$$$：

$${\color{red}{\int{\left(\frac{\cos{\left(2 x \right)}}{2} + \frac{\cos{\left(4 x \right)}}{8} + \frac{3}{8}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(4 \cos{\left(2 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)} + 3\right)d x}}{8}\right)}}$$

逐項積分：

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(4 \cos{\left(2 x \right)} + \cos{\left(4 x \right)} + 3\right)d x}}}}{8} = \frac{{\color{red}{\left(\int{3 d x} + \int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x} + \int{\cos{\left(4 x \right)} d x}\right)}}}{8}$$

配合 $$$c=3$$$，應用常數法則 $$$\int c\, dx = c x$$$：

$$\frac{\int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x}}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{3 d x}}}}{8} = \frac{\int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x}}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(3 x\right)}}}{8}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$，使用 $$$c=4$$$ 與 $$$f{\left(x \right)} = \cos{\left(2 x \right)}$$$：

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{4 \cos{\left(2 x \right)} d x}}}}{8} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(4 \int{\cos{\left(2 x \right)} d x}\right)}}}{8}$$

令 $$$u=2 x$$$。

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

所以，

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(2 x \right)} d x}}}}{2} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{2} d u}}}}{2}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{2} d u}}}}{2} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}}{2}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}}}{4} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{{\color{red}{\sin{\left(u \right)}}}}{4}$$

回顧一下 $$$u=2 x$$$：

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{\sin{\left({\color{red}{u}} \right)}}{4} = \frac{3 x}{8} + \frac{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}{8} + \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{4}$$

令 $$$u=4 x$$$。

則 $$$du=\left(4 x\right)^{\prime }dx = 4 dx$$$ (步驟見»)，並可得 $$$dx = \frac{du}{4}$$$。

所以，

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(4 x \right)} d x}}}}{8} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{4} d u}}}}{8}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=\frac{1}{4}$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = \cos{\left(u \right)}$$$：

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(u \right)}}{4} d u}}}}{8} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}{4}\right)}}}{8}$$

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

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(u \right)} d u}}}}{32} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\sin{\left(u \right)}}}}{32}$$

回顧一下 $$$u=4 x$$$：

$$\frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{\sin{\left({\color{red}{u}} \right)}}{32} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(4 x\right)}} \right)}}{32}$$

因此，

$$\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{3 x}{8} + \frac{\sin{\left(2 x \right)}}{4} + \frac{\sin{\left(4 x \right)}}{32}$$

化簡：

$$\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{12 x + 8 \sin{\left(2 x \right)} + \sin{\left(4 x \right)}}{32}$$

加上積分常數：

$$\int{\cos^{4}{\left(x \right)} d x} = \frac{12 x + 8 \sin{\left(2 x \right)} + \sin{\left(4 x \right)}}{32}+C$$

$$$\int \cos^{4}{\left(x \right)}\, dx = \frac{12 x + 8 \sin{\left(2 x \right)} + \sin{\left(4 x \right)}}{32} + C$$$A