$$$\operatorname{acos}{\left(3 x \right)}$$$の積分

$$$\int \operatorname{acos}{\left(3 x \right)}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=3 x$$$ とする。

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

したがって、

$${\color{red}{\int{\operatorname{acos}{\left(3 x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} d u}}}$$

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

$${\color{red}{\int{\frac{\operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\operatorname{acos}{\left(u \right)} d u}}{3}\right)}}$$

積分 $$$\int{\operatorname{acos}{\left(u \right)} d u}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{m} \operatorname{dv} = \operatorname{m}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{dm}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{m}=\operatorname{acos}{\left(u \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=du$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{dm}=\left(\operatorname{acos}{\left(u \right)}\right)^{\prime }du=- \frac{1}{\sqrt{1 - u^{2}}} du$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$（手順は»を参照）。

この積分は次のように書き換えられる

$$\frac{{\color{red}{\int{\operatorname{acos}{\left(u \right)} d u}}}}{3}=\frac{{\color{red}{\left(\operatorname{acos}{\left(u \right)} \cdot u-\int{u \cdot \left(- \frac{1}{\sqrt{1 - u^{2}}}\right) d u}\right)}}}{3}=\frac{{\color{red}{\left(u \operatorname{acos}{\left(u \right)} - \int{\left(- \frac{u}{\sqrt{1 - u^{2}}}\right)d u}\right)}}}{3}$$

$$$v=1 - u^{2}$$$ とする。

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

したがって、

$$\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{u}{\sqrt{1 - u^{2}}}\right)d u}}}}{3} = \frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{2 \sqrt{v}} d v}}}}{3}$$

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

$$\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{2 \sqrt{v}} d v}}}}{3} = \frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{\sqrt{v}} d v}}{2}\right)}}}{3}$$

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

$$\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{\sqrt{v}} d v}}}}{6}=\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{v^{- \frac{1}{2}} d v}}}}{6}=\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\frac{v^{- \frac{1}{2} + 1}}{- \frac{1}{2} + 1}}}}{6}=\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\left(2 v^{\frac{1}{2}}\right)}}}{6}=\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{{\color{red}{\left(2 \sqrt{v}\right)}}}{6}$$

次のことを思い出してください $$$v=1 - u^{2}$$$:

$$\frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{\sqrt{{\color{red}{v}}}}{3} = \frac{u \operatorname{acos}{\left(u \right)}}{3} - \frac{\sqrt{{\color{red}{\left(1 - u^{2}\right)}}}}{3}$$

次のことを思い出してください $$$u=3 x$$$:

$$- \frac{\sqrt{1 - {\color{red}{u}}^{2}}}{3} + \frac{{\color{red}{u}} \operatorname{acos}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{3} = - \frac{\sqrt{1 - {\color{red}{\left(3 x\right)}}^{2}}}{3} + \frac{{\color{red}{\left(3 x\right)}} \operatorname{acos}{\left({\color{red}{\left(3 x\right)}} \right)}}{3}$$

したがって、

$$\int{\operatorname{acos}{\left(3 x \right)} d x} = x \operatorname{acos}{\left(3 x \right)} - \frac{\sqrt{1 - 9 x^{2}}}{3}$$

積分定数を加える:

$$\int{\operatorname{acos}{\left(3 x \right)} d x} = x \operatorname{acos}{\left(3 x \right)} - \frac{\sqrt{1 - 9 x^{2}}}{3}+C$$

$$$\int \operatorname{acos}{\left(3 x \right)}\, dx = \left(x \operatorname{acos}{\left(3 x \right)} - \frac{\sqrt{1 - 9 x^{2}}}{3}\right) + C$$$A