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

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

令 $$$u=\frac{x}{2}$$$。

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

該積分變為

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

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 $$$f{\left(u \right)} = \tan{\left(u \right)}$$$：

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

將切線改寫為 $$$\tan\left( u \right)=\frac{\sin\left( u \right)}{\cos\left( u \right)}$$$:

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

令 $$$v=\cos{\left(u \right)}$$$。

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

因此，

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

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

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

$$$\frac{1}{v}$$$ 的積分是 $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$：

$$- 2 {\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}} = - 2 {\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}$$

回顧一下 $$$v=\cos{\left(u \right)}$$$：

$$- 2 \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)} = - 2 \ln{\left(\left|{{\color{red}{\cos{\left(u \right)}}}}\right| \right)}$$

回顧一下 $$$u=\frac{x}{2}$$$：

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

因此，

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

加上積分常數：

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

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