$$$\frac{\ln^{2}\left(x\right)}{x^{2}}$$$の積分

$$$\int \frac{\ln^{2}\left(x\right)}{x^{2}}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=\frac{1}{x}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\frac{1}{x}\right)^{\prime }dx = - \frac{1}{x^{2}} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\frac{dx}{x^{2}} = - du$$$ となります。

したがって、

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

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

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

積分 $$$\int{\ln{\left(u \right)}^{2} d u}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{m} \operatorname{dv} = \operatorname{m}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{dm}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{m}=\ln{\left(u \right)}^{2}$$$ と $$$\operatorname{dv}=du$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{dm}=\left(\ln{\left(u \right)}^{2}\right)^{\prime }du=\frac{2 \ln{\left(u \right)}}{u} du$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$（手順は»を参照）。

したがって、

$$- {\color{red}{\int{\ln{\left(u \right)}^{2} d u}}}=- {\color{red}{\left(\ln{\left(u \right)}^{2} \cdot u-\int{u \cdot \frac{2 \ln{\left(u \right)}}{u} d u}\right)}}=- {\color{red}{\left(u \ln{\left(u \right)}^{2} - \int{2 \ln{\left(u \right)} d u}\right)}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=2$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \ln{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$$- u \ln{\left(u \right)}^{2} + {\color{red}{\int{2 \ln{\left(u \right)} d u}}} = - u \ln{\left(u \right)}^{2} + {\color{red}{\left(2 \int{\ln{\left(u \right)} d u}\right)}}$$

積分 $$$\int{\ln{\left(u \right)} d u}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{m} \operatorname{dv} = \operatorname{m}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{dm}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{m}=\ln{\left(u \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=du$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{dm}=\left(\ln{\left(u \right)}\right)^{\prime }du=\frac{du}{u}$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$（手順は»を参照）。

したがって、

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

$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, du = c u$$$ を適用する:

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

次のことを思い出してください $$$u=\frac{1}{x}$$$:

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

したがって、

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

簡単化せよ:

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

積分定数を加える:

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

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