$$$\frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}}$$$の積分

$$$\int \frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=\frac{1}{x}$$$ とする。

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

したがって、

$${\color{red}{\int{\frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}} d x}}} = {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{\sqrt{u^{2} + 4 u + 1}}\right)d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=-1$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{\sqrt{u^{2} + 4 u + 1}}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{\sqrt{u^{2} + 4 u + 1}}\right)d u}}} = {\color{red}{\left(- \int{\frac{1}{\sqrt{u^{2} + 4 u + 1}} d u}\right)}}$$

平方完成を行ってください（手順は»で確認できます）: $$$ u ^{2} + 4 u + 1 = \left( u + 2\right)^{2} - 3$$$:

$$- {\color{red}{\int{\frac{1}{\sqrt{u^{2} + 4 u + 1}} d u}}} = - {\color{red}{\int{\frac{1}{\sqrt{\left(u + 2\right)^{2} - 3}} d u}}}$$

$$$v=u + 2$$$ とする。

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

したがって、

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

$$$v=\sqrt{3} \cosh{\left(w \right)}$$$ とする。

すると $$$dv=\left(\sqrt{3} \cosh{\left(w \right)}\right)^{\prime }dw = \sqrt{3} \sinh{\left(w \right)} dw$$$ (手順は»で確認できます)。

また、$$$w=\operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} v}{3} \right)}$$$が成り立つ。

したがって、

$$$\frac{1}{\sqrt{ v ^{2} - 3}} = \frac{1}{\sqrt{3 \cosh^{2}{\left( w \right)} - 3}}$$$

恒等式 $$$\cosh^{2}{\left( w \right)} - 1 = \sinh^{2}{\left( w \right)}$$$ を用いよ:

$$$\frac{1}{\sqrt{3 \cosh^{2}{\left( w \right)} - 3}}=\frac{\sqrt{3}}{3 \sqrt{\cosh^{2}{\left( w \right)} - 1}}=\frac{\sqrt{3}}{3 \sqrt{\sinh^{2}{\left( w \right)}}}$$$

$$$\sinh{\left( w \right)} \ge 0$$$ を仮定すると、以下が得られる:

$$$\frac{\sqrt{3}}{3 \sqrt{\sinh^{2}{\left( w \right)}}} = \frac{\sqrt{3}}{3 \sinh{\left( w \right)}}$$$

したがって、

$$- {\color{red}{\int{\frac{1}{\sqrt{v^{2} - 3}} d v}}} = - {\color{red}{\int{1 d w}}}$$

$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, dw = c w$$$ を適用する:

$$- {\color{red}{\int{1 d w}}} = - {\color{red}{w}}$$

次のことを思い出してください $$$w=\operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} v}{3} \right)}$$$:

$$- {\color{red}{w}} = - {\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} v}{3} \right)}}}$$

次のことを思い出してください $$$v=u + 2$$$:

$$- \operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} {\color{red}{v}}}{3} \right)} = - \operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} {\color{red}{\left(u + 2\right)}}}{3} \right)}$$

次のことを思い出してください $$$u=\frac{1}{x}$$$:

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

したがって、

$$\int{\frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}} d x} = - \operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} \left(2 + \frac{1}{x}\right)}{3} \right)}$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}} d x} = - \operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} \left(2 x + 1\right)}{3 x} \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}} d x} = - \operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} \left(2 x + 1\right)}{3 x} \right)}+C$$

$$$\int \frac{1}{x \sqrt{x^{2} + 4 x + 1}}\, dx = - \operatorname{acosh}{\left(\frac{\sqrt{3} \left(2 x + 1\right)}{3 x} \right)} + C$$$A