$$$\frac{3 - \frac{1}{x^{2}}}{3 x}$$$の積分

$$$\int \frac{3 - \frac{1}{x^{2}}}{3 x}\, dx$$$ を求めよ。

入力は次のように書き換えられます: $$$\int{\frac{3 - \frac{1}{x^{2}}}{3 x} d x}=\int{\frac{1 - \frac{1}{3 x^{2}}}{x} d x}$$$。

Simplify:

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

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{3}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{3 x^{2} - 1}{x^{3}}$$$ に対して適用する:

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

Expand the expression:

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

項別に積分せよ:

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

$$$n=-3$$$ 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:

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

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

$$\frac{{\color{red}{\int{\frac{3}{x} d x}}}}{3} + \frac{1}{6 x^{2}} = \frac{{\color{red}{\left(3 \int{\frac{1}{x} d x}\right)}}}{3} + \frac{1}{6 x^{2}}$$

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

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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