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

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

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，

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

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 $$$f{\left(u \right)} = \sin^{2}{\left(u \right)}$$$：

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

套用降冪公式 $$$\sin^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{1}{2} - \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2}$$$，令 $$$\alpha= u $$$:

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

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

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

逐項積分：

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

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

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

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，

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

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 $$$f{\left(v \right)} = \cos{\left(v \right)}$$$：

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

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

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

回顧一下 $$$v=2 u$$$：

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

回顧一下 $$$u=\frac{x}{2}$$$：

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

因此，

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

化簡：

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

加上積分常數：

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

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