$$$\frac{y^{3}}{1 - y}$$$の積分

$$$\int \frac{y^{3}}{1 - y}\, dy$$$ 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）:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$u=1 - y$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=1 - y$$$:

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

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

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

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

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

したがって、

$$\int{\frac{y^{3}}{1 - y} d y} = - \frac{y^{3}}{3} - \frac{y^{2}}{2} - y - \ln{\left(\left|{y - 1}\right| \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{y^{3}}{1 - y} d y} = - \frac{y^{3}}{3} - \frac{y^{2}}{2} - y - \ln{\left(\left|{y - 1}\right| \right)}+C$$

$$$\int \frac{y^{3}}{1 - y}\, dy = \left(- \frac{y^{3}}{3} - \frac{y^{2}}{2} - y - \ln\left(\left|{y - 1}\right|\right)\right) + C$$$A