$$$\frac{1}{a^{2} - x^{2}}$$$ の $$$x$$$ に関する積分

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

部分分数分解を行う:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$u=a + x$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=a + x$$$:

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

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

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

$$$u=- a + x$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=- a + x$$$:

$$\frac{\ln{\left(\left|{a + x}\right| \right)}}{2 a} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2 a} = \frac{\ln{\left(\left|{a + x}\right| \right)}}{2 a} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(- a + x\right)}}}\right| \right)}}{2 a}$$

したがって、

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

簡単化せよ:

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

積分定数を加える:

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

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