Funktion $$$\frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}}$$$ integraali

Määritä $$$\int \frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}}\, dx$$$.

Sovella vakiokertoimen sääntöä $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ käyttäen $$$c=2$$$ ja $$$f{\left(x \right)} = \frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}}$$$:

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

Olkoon $$$u=\frac{1}{x}$$$.

Tällöin $$$du=\left(\frac{1}{x}\right)^{\prime }dx = - \frac{1}{x^{2}} dx$$$ (vaiheet ovat nähtävissä ») ja saamme, että $$$\frac{dx}{x^{2}} = - du$$$.

Integraali muuttuu muotoon

$$2 {\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}} d x}}} = 2 {\color{red}{\int{\left(- \operatorname{acot}{\left(u \right)}\right)d u}}}$$

Sovella vakiokertoimen sääntöä $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ käyttäen $$$c=-1$$$ ja $$$f{\left(u \right)} = \operatorname{acot}{\left(u \right)}$$$:

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

Integraalin $$$\int{\operatorname{acot}{\left(u \right)} d u}$$$ kohdalla käytä osittaisintegrointia $$$\int \operatorname{t} \operatorname{dv} = \operatorname{t}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{dt}$$$.

Olkoon $$$\operatorname{t}=\operatorname{acot}{\left(u \right)}$$$ ja $$$\operatorname{dv}=du$$$.

Tällöin $$$\operatorname{dt}=\left(\operatorname{acot}{\left(u \right)}\right)^{\prime }du=- \frac{1}{u^{2} + 1} du$$$ (vaiheet ovat nähtävissä ») ja $$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$ (vaiheet ovat nähtävissä »).

Integraali voidaan kirjoittaa muotoon

$$- 2 {\color{red}{\int{\operatorname{acot}{\left(u \right)} d u}}}=- 2 {\color{red}{\left(\operatorname{acot}{\left(u \right)} \cdot u-\int{u \cdot \left(- \frac{1}{u^{2} + 1}\right) d u}\right)}}=- 2 {\color{red}{\left(u \operatorname{acot}{\left(u \right)} - \int{\left(- \frac{u}{u^{2} + 1}\right)d u}\right)}}$$

Olkoon $$$v=u^{2} + 1$$$.

Tällöin $$$dv=\left(u^{2} + 1\right)^{\prime }du = 2 u du$$$ (vaiheet ovat nähtävissä ») ja saamme, että $$$u du = \frac{dv}{2}$$$.

Näin ollen,

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

Sovella vakiokertoimen sääntöä $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ käyttäen $$$c=- \frac{1}{2}$$$ ja $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$:

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

Funktion $$$\frac{1}{v}$$$ integraali on $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$:

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

Muista, että $$$v=u^{2} + 1$$$:

$$- 2 u \operatorname{acot}{\left(u \right)} - \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)} = - 2 u \operatorname{acot}{\left(u \right)} - \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u^{2} + 1\right)}}}\right| \right)}$$

Muista, että $$$u=\frac{1}{x}$$$:

$$- \ln{\left(1 + {\color{red}{u}}^{2} \right)} - 2 {\color{red}{u}} \operatorname{acot}{\left({\color{red}{u}} \right)} = - \ln{\left(1 + {\color{red}{\frac{1}{x}}}^{2} \right)} - 2 {\color{red}{\frac{1}{x}}} \operatorname{acot}{\left({\color{red}{\frac{1}{x}}} \right)}$$

Näin ollen,

$$\int{\frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}} d x} = - \ln{\left(1 + \frac{1}{x^{2}} \right)} - \frac{2 \operatorname{acot}{\left(\frac{1}{x} \right)}}{x}$$

Sievennä:

$$\int{\frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}} d x} = 2 \ln{\left(x \right)} - \ln{\left(x^{2} + 1 \right)} - \frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x}$$

Lisää integrointivakio:

$$\int{\frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}} d x} = 2 \ln{\left(x \right)} - \ln{\left(x^{2} + 1 \right)} - \frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x}+C$$

$$$\int \frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}}\, dx = \left(2 \ln\left(x\right) - \ln\left(x^{2} + 1\right) - \frac{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x}\right) + C$$$A