$$$\tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)}$$$ 的積分

求$$$\int \tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)}\, dx$$$。

令 $$$u=2 x$$$。

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

因此，

$${\color{red}{\int{\tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec{\left(u \right)}}{2} d u}}}$$

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 $$$f{\left(u \right)} = \tan^{3}{\left(u \right)} \sec{\left(u \right)}$$$：

$${\color{red}{\int{\frac{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec{\left(u \right)}}{2} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec{\left(u \right)} d u}}{2}\right)}}$$

抽出一個正切，並用正割表示其餘部分，使用公式 $$$\tan^2\left( u \right)=\sec^2\left( u \right)-1$$$:

$$\frac{{\color{red}{\int{\tan^{3}{\left(u \right)} \sec{\left(u \right)} d u}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\int{\left(\sec^{2}{\left(u \right)} - 1\right) \tan{\left(u \right)} \sec{\left(u \right)} d u}}}}{2}$$

令 $$$v=\sec{\left(u \right)}$$$。

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

該積分可改寫為

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

逐項積分：

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

配合 $$$c=1$$$，應用常數法則 $$$\int c\, dv = c v$$$：

$$\frac{\int{v^{2} d v}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{1 d v}}}}{2} = \frac{\int{v^{2} d v}}{2} - \frac{{\color{red}{v}}}{2}$$

套用冪次法則 $$$\int v^{n}\, dv = \frac{v^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$，以 $$$n=2$$$：

$$- \frac{v}{2} + \frac{{\color{red}{\int{v^{2} d v}}}}{2}=- \frac{v}{2} + \frac{{\color{red}{\frac{v^{1 + 2}}{1 + 2}}}}{2}=- \frac{v}{2} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{v^{3}}{3}\right)}}}{2}$$

回顧一下 $$$v=\sec{\left(u \right)}$$$：

$$- \frac{{\color{red}{v}}}{2} + \frac{{\color{red}{v}}^{3}}{6} = - \frac{{\color{red}{\sec{\left(u \right)}}}}{2} + \frac{{\color{red}{\sec{\left(u \right)}}}^{3}}{6}$$

回顧一下 $$$u=2 x$$$：

$$- \frac{\sec{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} + \frac{\sec^{3}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{6} = - \frac{\sec{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{2} + \frac{\sec^{3}{\left({\color{red}{\left(2 x\right)}} \right)}}{6}$$

因此，

$$\int{\tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)} d x} = \frac{\sec^{3}{\left(2 x \right)}}{6} - \frac{\sec{\left(2 x \right)}}{2}$$

化簡：

$$\int{\tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)} d x} = \frac{\left(\sec^{2}{\left(2 x \right)} - 3\right) \sec{\left(2 x \right)}}{6}$$

加上積分常數：

$$\int{\tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)} d x} = \frac{\left(\sec^{2}{\left(2 x \right)} - 3\right) \sec{\left(2 x \right)}}{6}+C$$

$$$\int \tan^{3}{\left(2 x \right)} \sec{\left(2 x \right)}\, dx = \frac{\left(\sec^{2}{\left(2 x \right)} - 3\right) \sec{\left(2 x \right)}}{6} + C$$$A