$$$\frac{1}{- k^{2} + r^{2}}$$$ の $$$k$$$ に関する積分

$$$\int \frac{1}{- k^{2} + r^{2}}\, dk$$$ を求めよ。

部分分数分解を行う:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$u=k + r$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=k + r$$$:

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

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

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

$$$u=- k + r$$$ とする。

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

したがって、

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

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:

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=- k + r$$$:

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

したがって、

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

簡単化せよ:

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

積分定数を加える:

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

$$$\int \frac{1}{- k^{2} + r^{2}}\, dk = \frac{- \ln\left(\left|{k - r}\right|\right) + \ln\left(\left|{k + r}\right|\right)}{2 r} + C$$$A