$$$2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}$$$の積分

$$$\int 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}\, dx$$$ 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 $$$f{\left(x \right)} = \operatorname{atan}{\left(x \right)}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)} d x}}} = {\color{red}{\left(2 \int{\operatorname{atan}{\left(x \right)} d x}\right)}}$$

積分 $$$\int{\operatorname{atan}{\left(x \right)} d x}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{u}=\operatorname{atan}{\left(x \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=dx$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(\operatorname{atan}{\left(x \right)}\right)^{\prime }dx=\frac{dx}{x^{2} + 1}$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{1 d x}=x$$$（手順は»を参照）。

したがって、

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

$$$u=x^{2} + 1$$$ 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、

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

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:

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=x^{2} + 1$$$:

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

したがって、

$$\int{2 \operatorname{atan}{\left(x \right)} d x} = 2 x \operatorname{atan}{\left(x \right)} - \ln{\left(x^{2} + 1 \right)}$$

積分定数を加える:

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

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