$$$\frac{\pi}{2 x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}}$$$の積分

$$$\int \frac{\pi}{2 x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}}\, dx$$$ を求めよ。

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{\pi}{2}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{\pi}{2 x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}} d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\pi \int{\frac{1}{x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}} d x}}{2}\right)}}$$

$$$x=\cosh{\left(u \right)}$$$ とする。

すると $$$dx=\left(\cosh{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = \sinh{\left(u \right)} du$$$ (手順は»で確認できます)。

また、$$$u=\operatorname{acosh}{\left(x \right)}$$$が成り立つ。

したがって、

$$$\frac{1}{x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}} = \frac{1}{\sqrt{\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1} \cosh^{2}{\left( u \right)}}$$$

恒等式 $$$\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1 = \sinh^{2}{\left( u \right)}$$$ を用いよ:

$$$\frac{1}{\sqrt{\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1} \cosh^{2}{\left( u \right)}}=\frac{1}{\sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}} \cosh^{2}{\left( u \right)}}$$$

$$$\sinh{\left( u \right)} \ge 0$$$ を仮定すると、以下が得られる:

$$$\frac{1}{\sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}} \cosh^{2}{\left( u \right)}} = \frac{1}{\sinh{\left( u \right)} \cosh^{2}{\left( u \right)}}$$$

したがって、

$$\frac{\pi {\color{red}{\int{\frac{1}{x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}} d x}}}}{2} = \frac{\pi {\color{red}{\int{\frac{1}{\cosh^{2}{\left(u \right)}} d u}}}}{2}$$

被積分関数を双曲線正割関数で表せ:

$$\frac{\pi {\color{red}{\int{\frac{1}{\cosh^{2}{\left(u \right)}} d u}}}}{2} = \frac{\pi {\color{red}{\int{\operatorname{sech}^{2}{\left(u \right)} d u}}}}{2}$$

$$$\operatorname{sech}^{2}{\left(u \right)}$$$ の不定積分は $$$\int{\operatorname{sech}^{2}{\left(u \right)} d u} = \tanh{\left(u \right)}$$$ です:

$$\frac{\pi {\color{red}{\int{\operatorname{sech}^{2}{\left(u \right)} d u}}}}{2} = \frac{\pi {\color{red}{\tanh{\left(u \right)}}}}{2}$$

次のことを思い出してください $$$u=\operatorname{acosh}{\left(x \right)}$$$:

$$\frac{\pi \tanh{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} = \frac{\pi \tanh{\left({\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(x \right)}}} \right)}}{2}$$

したがって、

$$\int{\frac{\pi}{2 x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}} d x} = \frac{\pi \sqrt{x - 1} \sqrt{x + 1}}{2 x}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\pi}{2 x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}} d x} = \frac{\pi \sqrt{x - 1} \sqrt{x + 1}}{2 x}+C$$

$$$\int \frac{\pi}{2 x^{2} \sqrt{x^{2} - 1}}\, dx = \frac{\pi \sqrt{x - 1} \sqrt{x + 1}}{2 x} + C$$$A