$$$\frac{\sqrt{x - 1}}{x}$$$の積分

$$$\int \frac{\sqrt{x - 1}}{x}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=\sqrt{x - 1}$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

$${\color{red}{\int{\frac{\sqrt{x - 1}}{x} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{2 u^{2}}{u^{2} + 1} d u}}}$$

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

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

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

$$- 2 \int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} + 2 {\color{red}{\int{1 d u}}} = - 2 \int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} + 2 {\color{red}{u}}$$

$$$\frac{1}{u^{2} + 1}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u^{2} + 1} d u} = \operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$ です:

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

次のことを思い出してください $$$u=\sqrt{x - 1}$$$:

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

したがって、

$$\int{\frac{\sqrt{x - 1}}{x} d x} = 2 \sqrt{x - 1} - 2 \operatorname{atan}{\left(\sqrt{x - 1} \right)}$$

積分定数を加える:

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

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