$$$\frac{1}{x^{3} + x}$$$の積分

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

部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$u=x^{2} + 1$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=x^{2} + 1$$$:

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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