$$$\frac{x^{3}}{x - 3}$$$の積分

$$$\int \frac{x^{3}}{x - 3}\, dx$$$ 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）:

$${\color{red}{\int{\frac{x^{3}}{x - 3} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(x^{2} + 3 x + 9 + \frac{27}{x - 3}\right)d x}}}$$

項別に積分せよ:

$${\color{red}{\int{\left(x^{2} + 3 x + 9 + \frac{27}{x - 3}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\int{9 d x} + \int{3 x d x} + \int{x^{2} d x} + \int{\frac{27}{x - 3} d x}\right)}}$$

$$$c=9$$$ に対して定数則 $$$\int c\, dx = c x$$$ を適用する:

$$\int{3 x d x} + \int{x^{2} d x} + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\int{9 d x}}} = \int{3 x d x} + \int{x^{2} d x} + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\left(9 x\right)}}$$

$$$n=2$$$ 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:

$$9 x + \int{3 x d x} + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\int{x^{2} d x}}}=9 x + \int{3 x d x} + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\frac{x^{1 + 2}}{1 + 2}}}=9 x + \int{3 x d x} + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\left(\frac{x^{3}}{3}\right)}}$$

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

$$\frac{x^{3}}{3} + 9 x + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\int{3 x d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + 9 x + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + {\color{red}{\left(3 \int{x d x}\right)}}$$

$$$n=1$$$ 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:

$$\frac{x^{3}}{3} + 9 x + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + 3 {\color{red}{\int{x d x}}}=\frac{x^{3}}{3} + 9 x + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + 3 {\color{red}{\frac{x^{1 + 1}}{1 + 1}}}=\frac{x^{3}}{3} + 9 x + \int{\frac{27}{x - 3} d x} + 3 {\color{red}{\left(\frac{x^{2}}{2}\right)}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=27$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x - 3}$$$ に対して適用する:

$$\frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + {\color{red}{\int{\frac{27}{x - 3} d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + {\color{red}{\left(27 \int{\frac{1}{x - 3} d x}\right)}}$$

$$$u=x - 3$$$ とする。

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

積分は次のようになります

$$\frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 {\color{red}{\int{\frac{1}{x - 3} d x}}} = \frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}$$

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

$$\frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 {\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}} = \frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 {\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}$$

次のことを思い出してください $$$u=x - 3$$$:

$$\frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} = \frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(x - 3\right)}}}\right| \right)}$$

したがって、

$$\int{\frac{x^{3}}{x - 3} d x} = \frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 \ln{\left(\left|{x - 3}\right| \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{x^{3}}{x - 3} d x} = \frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 \ln{\left(\left|{x - 3}\right| \right)}+C$$

$$$\int \frac{x^{3}}{x - 3}\, dx = \left(\frac{x^{3}}{3} + \frac{3 x^{2}}{2} + 9 x + 27 \ln\left(\left|{x - 3}\right|\right)\right) + C$$$A