1/sinx(サイン分の1)と1/cosx(コサイン分の1)の積分

1sinxdx=12log(1cosx1+cosx)+C\displaystyle\int \dfrac{1}{\sin x}dx=\dfrac{1}{2}\log\left(\dfrac{1-\cos x}{1+\cos x}\right)+C

1cosxdx=12log(1+sinx1sinx)+C\displaystyle\int \dfrac{1}{\cos x}dx=\dfrac{1}{2}\log\left(\dfrac{1+\sin x}{1-\sin x}\right)+C

サイン分の1,コサイン分の1の積分のやり方を解説します。方法は複数あります。

方法1:部分分数分解を使った積分

サイン分の1の積分

被積分関数の分母と分子に sinx\sin x をかけて,部分分数分解します。

1sinx=sinxsin2x=sinx1cos2x=sinx(1cosx)(1+cosx)=12(sinx1cosx+sinx1+cosx)\begin{aligned} &\dfrac{1}{\sin x} \\ &= \dfrac{\sin x}{\sin^2 x}\\ &= \dfrac{\sin x}{1-\cos^2 x}\\ &= \dfrac{\sin x}{(1-\cos x)(1+\cos x)}\\ &= \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{\sin x}{1-\cos x}+\dfrac{\sin x}{1+\cos x}\right) \end{aligned}

ここで,公式 f(x)f(x)dx=logf(x)+C\displaystyle\int\dfrac{f^{\prime} (x)}{f(x)}dx=\log | f(x) |+C を用いて上の式を積分します:

1sinxdx=12(sinx1cosx+sinx1+cosx)dx=12{log(1cosx)log(1+cosx)}+C=12log(1cosx1+cosx)+C\begin{aligned} &\int \dfrac{1}{\sin x}dx \\ &= \dfrac{1}{2} \int \left( \dfrac{\sin x}{1-\cos x}+\dfrac{\sin x}{1+\cos x} \right) dx\\ &= \dfrac{1}{2}\{\log(1-\cos x)-\log(1+\cos x)\}+C\\ &= \dfrac{1}{2}\log\left(\dfrac{1-\cos x}{1+\cos x}\right)+C \end{aligned}

コサイン分の1の積分

こちらも同様の式変形をします:

1cosx=cosxcos2x=cosx1sin2x=cosx(1sinx)(1+sinx)=12(cosx1sinx+cosx1+sinx)\begin{aligned} &\dfrac{1}{\cos x} \\ &= \dfrac{\cos x}{\cos^2 x}\\ &= \dfrac{\cos x}{1-\sin^2 x}\\ &= \dfrac{\cos x}{(1-\sin x)(1+\sin x)}\\ &= \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{\cos x}{1-\sin x}+\dfrac{\cos x}{1+\sin x}\right) \end{aligned}

1cosxdx=12(cosx1sinx+cosx1+sinx)dx=12{log(1sinx)+log(1+sinx)}+C=12log(1+sinx1sinx)+C\begin{aligned} &\int \dfrac{1}{\cos x}dx \\ &= \dfrac{1}{2} \int \left( \dfrac{\cos x}{1-\sin x}+\dfrac{\cos x}{1+\sin x} \right) dx\\ &= \dfrac{1}{2}\{-\log(1-\sin x)+\log(1+\sin x)\}+C\\ &= \dfrac{1}{2}\log\left(\dfrac{1+\sin x}{1-\sin x}\right)+C \end{aligned}

方法1はおもしろいですが,やり方を知らないと思いつくのは難しいです。

方法2:有名な置換積分を用いる方法

実は,sinx,cosx\sin x, \cos x の有理式に対しては,万能な方法があります。すなわち,tanx2=t\tan \dfrac{x}{2}=t と置換すれば,手間はかかりますが,必ず積分できます。

積分計算の準備

tanx2=t\tan \dfrac{x}{2}=t とおくと,sinx,cosx\sin x, \cos xtt を用いて以下のように表すことができます。

sinx=2sinx2cosx2=2tanx2cos2x2=2t1+t2cosx=2cos2x21=21+t21=1t21+t2\begin{aligned} \sin x &= 2 \sin \dfrac{x}{2} \cos \dfrac{x}{2}\\ &= 2\tan \dfrac{x}{2} \cos^2 \dfrac{x}{2}\\ &= \dfrac{2t}{1+t^2}\\ \cos x &= 2 \cos^2 \dfrac{x}{2} - 1\\ &= \dfrac{2}{1+t^2} - 1\\ &= \dfrac{1-t^2}{1+t^2} \end{aligned}

また,t=tanx2t=\tan\dfrac{x}{2}xx で微分すると,

dtdx=12cos2x2=12(1+t2) \dfrac{dt}{dx} = \dfrac{1}{2\cos^2\dfrac{x}{2}} = \dfrac{1}{2} (1+t^2)

実際に積分を行う

1sinxdx=1+t22t21+t2dt=logt+C=logtanx2+C1cosxdx=1+t21t221+t2dt=(11t+11+t)dt=log1+tanx21tanx2+C\begin{aligned} \int\dfrac{1}{\sin x}dx &= \int \dfrac{1+t^2}{2t}\dfrac{2}{1+t^2}dt\\ &= \log |t|+C\\ &=\log |\tan\dfrac{x}{2}|+C\\ \int\dfrac{1}{\cos x}dx &= \int \dfrac{1+t^2}{1-t^2}\dfrac{2}{1+t^2}dt\\ &= \int\left(\dfrac{1}{1-t}+\dfrac{1}{1+t}\right)dt\\ &= \log \left|\dfrac{1+\tan\dfrac{x}{2}}{1-\tan\dfrac{x}{2}}\right|+C \end{aligned}

方法1と方法2の結果を比べる

方法1と方法2の答えは一見異なるように見えますが,答えは(定数を除いて)一致しているはずです。よって,以下がわかります。 1cosx1+cosx=(tanx2)2+C11+sinx1sinx=(1+tanx21tanx2)2+C2 \dfrac{1-\cos x}{1+\cos x} = \left( \tan\dfrac{x}{2} \right)^2+C_1\\ \dfrac{1+\sin x}{1-\sin x} = \left(\dfrac{1+\tan\dfrac{x}{2}}{1-\tan\dfrac{x}{2}}\right)^2+C_2 そして x=0x=0 を代入すると C1=C2=0C_1=C_2=0 がわかります。

実際,三角関数の倍角の公式などを使って,以下の関係式を導けます: 1cosx1+cosx=(tanx2)21+sinx1sinx=(1+tanx21tanx2)2 \dfrac{1-\cos x}{1+\cos x} = \left( \tan\dfrac{x}{2} \right)^2\\ \dfrac{1+\sin x}{1-\sin x} = \left(\dfrac{1+\tan\dfrac{x}{2}}{1-\tan\dfrac{x}{2}}\right)^2 一つの問題を異なった方法で解き,一見同じだとわからない2つの解を得ることで,関係式を見つけることができました!

方法3

追記:こんな方法もあります(読者の方に教えていただきました)!

dxsinx=dx2sinx2cosx2=dx2cos2x2tanx2=logtanx2+C\begin{aligned} \int\dfrac{dx}{\sin x} &= \int\dfrac{dx}{2\sin\frac{x}{2}\cos\frac{x}{2}}\\ &= \int\dfrac{dx}{2\cos^2\frac{x}{2}\tan\frac{x}{2}}\\ &= \log \left| \tan\dfrac{x}{2} \right|+C \end{aligned}

また,cosx=sin(xπ2)\cos x=-\sin \left( x-\dfrac{\pi}{2} \right) に注意すると,

dxcosx=logtan(x2π4)+C \int\dfrac{dx}{\cos x}=-\log\left| \tan \left(\dfrac{x}{2}-\dfrac{\pi}{4}\right)\right|+C

sec、cosec、cot を用いた表現

secx=1cosx\sec x=\dfrac{1}{\cos x} , cosec x=1sinx\mathrm{cosec} \ x=\dfrac{1}{\sin x} に注意すると,以下のように表すこともできます。

参考:三角関数sec, cosec, cotと記号の意味 cosec xdx=logcosec x+cotx+Csecxdx=logsecx+tanx+C\begin{aligned} \int \mathrm{cosec} \ xdx &= -\log|\mathrm{cosec}\ x+\cot x|+C\\ \int \sec xdx &= \log|\sec x+\mathrm{tan}\:x|+C \end{aligned} 上の表し方が冒頭の公式と同じであることは,以下のように確認できます:

logcosec x+cotx=log(1+cosxsinx)=12logsin2x(1+cosx)2=12log1cosx1+cosx \begin{aligned} -&\log|\mathrm{cosec}\ x+\cot x |\\ &= -\log\left(\dfrac{1+\cos x}{\sin x}\right)\\ &= \dfrac{1}{2}\log\dfrac{\sin^2x}{(1+\cos x)^2}\\ &= \dfrac{1}{2}\log\dfrac{1-\cos x}{1+\cos x}\end{aligned} logsecx+tanx=log(1+sinxcosx)=12log(1+sinx)21sin2x=12log1+sinx1sinx\begin{aligned}&\log|\sec x+\tan x|\\ &=\log\left(\dfrac{1+\sin x}{\cos x}\right)\\ &=\dfrac{1}{2}\log\dfrac{(1+\sin x)^2}{1-\sin^2x}\\ &=\dfrac{1}{2}\log\dfrac{1+\sin x}{1-\sin x} \end{aligned}

同じ不定積分なのに,いろいろな見た目の表し方があって面白いですね。

Tag:積分公式一覧