tan(x/2)=tを用いる三角関数の積分

積分, 三角関数


例題

次の不定積分を求めよ。
\(\displaystyle \int\dfrac{1}{1+\sin\,x+\cos\,x}dx\)

方針

\(\sin\,x=t\) や \(\cos\,x=t\) とおいてうまくいかなかった場合は、\(\tan\,\dfrac{x}{2}=t\)とおく。

\(\tan\,\dfrac{x}{2}=t\)とおいたときの \(\sin\,x\, , \cos\,x\)はすぐに導出できるようにしておきましょう。
⇒ tan(x/2)=t のとき sinx, cosx, tanxをtを使って表す

解答

\(\tan\,\dfrac{x}{2}=t\) とおくと

\({\sin}\,x=\dfrac{2t}{1+t^2}\)

\({\cos}\,x=\dfrac{1-t^2}{1+t^2}\)

\(\dfrac{dt}{dx}=\dfrac{1}{2{\cos}^2\,\dfrac{x}{2}}=\dfrac{1}{2}(1+{\tan}^2\,\dfrac{x}{2})=\dfrac{1}{2}(1+t^2)\)

\(dx=\dfrac{2}{1+t^2}dt\)

以上より,

\(\displaystyle \int\dfrac{1}{1+\sin\,x+\cos\,x}dx\)

\(\displaystyle =\int\dfrac{1}{1+\dfrac{2t}{1+t^2}+\dfrac{1-t^2}{1+t^2}}\cdot\dfrac{2}{1+t^2}dt\)

\(\displaystyle =\int\dfrac{2}{2t+2}dt\)

\(\displaystyle =\int\dfrac{1}{t+1}dt\)

\(=\log |t+1|+C\)

\(=\log |\tan\,\dfrac{x}{2}+1|+C\) (\(C\)は積分定数)

補足

三角関数の積分問題は,必ずしも\(\tan\,\dfrac{x}{2}=t\)とおくことが最適な解法とは限りません。例えば,

\(\int(\cos のみを含む式)\cdot{\sin}x\,dx\) なら \(\cos\,x=t\)

\(\int(\sin のみを含む式)\cdot{\cos}x\,dx\) なら \(\sin\,x=t\)

とおくのが定石です。