$$$\frac{2 x^{2}}{1 - x}$$$の積分

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

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

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

分子の次数が分母の次数以上であるため、多項式の長除法を行います（手順は»で確認できます）:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$u=1 - x$$$ とする。

すると $$$du=\left(1 - x\right)^{\prime }dx = - dx$$$（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

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=1 - x$$$:

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

$$$n=1$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int x^{n}\, dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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