$$$\frac{x^{6} - 1}{x^{2} + 1}$$$の積分

$$$\int \frac{x^{6} - 1}{x^{2} + 1}\, dx$$$ を求めよ。

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）:

$${\color{red}{\int{\frac{x^{6} - 1}{x^{2} + 1} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(x^{4} - x^{2} + 1 - \frac{2}{x^{2} + 1}\right)d x}}}$$

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$n=4$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int x^{n}\, dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

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

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

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

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

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

$$$\frac{1}{x^{2} + 1}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{x^{2} + 1} d x} = \operatorname{atan}{\left(x \right)}$$$ です:

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

したがって、

$$\int{\frac{x^{6} - 1}{x^{2} + 1} d x} = \frac{x^{5}}{5} - \frac{x^{3}}{3} + x - 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{x^{6} - 1}{x^{2} + 1} d x} = \frac{x^{5}}{5} - \frac{x^{3}}{3} + x - 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}+C$$

$$$\int \frac{x^{6} - 1}{x^{2} + 1}\, dx = \left(\frac{x^{5}}{5} - \frac{x^{3}}{3} + x - 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}\right) + C$$$A