$$$\frac{\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{4}} + 1}$$$の積分

$$$\int \frac{\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{4}} + 1}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=\sqrt[4]{x}$$$ とする。

すると $$$du=\left(\sqrt[4]{x}\right)^{\prime }dx = \frac{1}{4 x^{\frac{3}{4}}} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$\frac{dx}{x^{\frac{3}{4}}} = 4 du$$$ となります。

したがって、

$${\color{red}{\int{\frac{\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{4}} + 1} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{4 u^{5}}{u^{3} + 1} d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=4$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{u^{5}}{u^{3} + 1}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{4 u^{5}}{u^{3} + 1} d u}}} = {\color{red}{\left(4 \int{\frac{u^{5}}{u^{3} + 1} d u}\right)}}$$

分子の次数が分母の次数以上であるため、多項式の長除法を行います（手順は»で確認できます）:

$$4 {\color{red}{\int{\frac{u^{5}}{u^{3} + 1} d u}}} = 4 {\color{red}{\int{\left(u^{2} - \frac{u^{2}}{u^{3} + 1}\right)d u}}}$$

項別に積分せよ:

$$4 {\color{red}{\int{\left(u^{2} - \frac{u^{2}}{u^{3} + 1}\right)d u}}} = 4 {\color{red}{\left(\int{u^{2} d u} - \int{\frac{u^{2}}{u^{3} + 1} d u}\right)}}$$

$$$n=2$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int u^{n}\, du = \frac{u^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

$$- 4 \int{\frac{u^{2}}{u^{3} + 1} d u} + 4 {\color{red}{\int{u^{2} d u}}}=- 4 \int{\frac{u^{2}}{u^{3} + 1} d u} + 4 {\color{red}{\frac{u^{1 + 2}}{1 + 2}}}=- 4 \int{\frac{u^{2}}{u^{3} + 1} d u} + 4 {\color{red}{\left(\frac{u^{3}}{3}\right)}}$$

$$$v=u^{3} + 1$$$ とする。

すると $$$dv=\left(u^{3} + 1\right)^{\prime }du = 3 u^{2} du$$$（手順は»で確認できます）、$$$u^{2} du = \frac{dv}{3}$$$ となります。

積分は次のようになります

$$\frac{4 u^{3}}{3} - 4 {\color{red}{\int{\frac{u^{2}}{u^{3} + 1} d u}}} = \frac{4 u^{3}}{3} - 4 {\color{red}{\int{\frac{1}{3 v} d v}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$ を、$$$c=\frac{1}{3}$$$ と $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$ に対して適用する:

$$\frac{4 u^{3}}{3} - 4 {\color{red}{\int{\frac{1}{3 v} d v}}} = \frac{4 u^{3}}{3} - 4 {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{v} d v}}{3}\right)}}$$

$$$\frac{1}{v}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$ です:

$$\frac{4 u^{3}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{3} = \frac{4 u^{3}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{3}$$

次のことを思い出してください $$$v=u^{3} + 1$$$:

$$\frac{4 u^{3}}{3} - \frac{4 \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{3} = \frac{4 u^{3}}{3} - \frac{4 \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u^{3} + 1\right)}}}\right| \right)}}{3}$$

次のことを思い出してください $$$u=\sqrt[4]{x}$$$:

$$- \frac{4 \ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{u}}^{3}}\right| \right)}}{3} + \frac{4 {\color{red}{u}}^{3}}{3} = - \frac{4 \ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{\sqrt[4]{x}}}^{3}}\right| \right)}}{3} + \frac{4 {\color{red}{\sqrt[4]{x}}}^{3}}{3}$$

したがって、

$$\int{\frac{\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{4}} + 1} d x} = \frac{4 x^{\frac{3}{4}}}{3} - \frac{4 \ln{\left(\left|{x^{\frac{3}{4}} + 1}\right| \right)}}{3}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{4}} + 1} d x} = \frac{4 x^{\frac{3}{4}}}{3} - \frac{4 \ln{\left(\left|{x^{\frac{3}{4}} + 1}\right| \right)}}{3}+C$$

$$$\int \frac{\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{4}} + 1}\, dx = \left(\frac{4 x^{\frac{3}{4}}}{3} - \frac{4 \ln\left(\left|{x^{\frac{3}{4}} + 1}\right|\right)}{3}\right) + C$$$A