$$$- \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}$$$の積分

$$$\int \left(- \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}\right)\, dx$$$ を求めよ。

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=-1$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\left(- \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(- \int{\operatorname{atan}{\left(5 x \right)} d x}\right)}}$$

$$$u=5 x$$$ とする。

すると $$$du=\left(5 x\right)^{\prime }dx = 5 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = \frac{du}{5}$$$ となります。

積分は次のようになります

$$- {\color{red}{\int{\operatorname{atan}{\left(5 x \right)} d x}}} = - {\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{5}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$$- {\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} d u}}} = - {\color{red}{\left(\frac{\int{\operatorname{atan}{\left(u \right)} d u}}{5}\right)}}$$

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

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

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

したがって、

$$- \frac{{\color{red}{\int{\operatorname{atan}{\left(u \right)} d u}}}}{5}=- \frac{{\color{red}{\left(\operatorname{atan}{\left(u \right)} \cdot u-\int{u \cdot \frac{1}{u^{2} + 1} d u}\right)}}}{5}=- \frac{{\color{red}{\left(u \operatorname{atan}{\left(u \right)} - \int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u}\right)}}}{5}$$

$$$v=u^{2} + 1$$$ とする。

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

積分は次のようになります

$$- \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{u}{u^{2} + 1} d u}}}}{5} = - \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{2 v} d v}}}}{5}$$

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 $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$ に対して適用する:

$$- \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{2 v} d v}}}}{5} = - \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{v} d v}}{2}\right)}}}{5}$$

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

$$- \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{10} = - \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{10}$$

次のことを思い出してください $$$v=u^{2} + 1$$$:

$$- \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{10} = - \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{5} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u^{2} + 1\right)}}}\right| \right)}}{10}$$

次のことを思い出してください $$$u=5 x$$$:

$$\frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{u}}^{2} \right)}}{10} - \frac{{\color{red}{u}} \operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{5} = \frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{\left(5 x\right)}}^{2} \right)}}{10} - \frac{{\color{red}{\left(5 x\right)}} \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\left(5 x\right)}} \right)}}{5}$$

したがって、

$$\int{\left(- \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}\right)d x} = - x \operatorname{atan}{\left(5 x \right)} + \frac{\ln{\left(25 x^{2} + 1 \right)}}{10}$$

積分定数を加える:

$$\int{\left(- \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}\right)d x} = - x \operatorname{atan}{\left(5 x \right)} + \frac{\ln{\left(25 x^{2} + 1 \right)}}{10}+C$$

$$$\int \left(- \operatorname{atan}{\left(5 x \right)}\right)\, dx = \left(- x \operatorname{atan}{\left(5 x \right)} + \frac{\ln\left(25 x^{2} + 1\right)}{10}\right) + C$$$A