$$$\frac{1}{x \left(x^{2} + 1\right)}$$$の積分

$$$\int \frac{1}{x \left(x^{2} + 1\right)}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=x^{2} + 1$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):

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

項別に積分せよ:

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

$$$v=u - 1$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

次のことを思い出してください $$$v=u - 1$$$:

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=x^{2} + 1$$$:

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

したがって、

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

簡単化せよ:

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

積分定数を加える:

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

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