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

$$$\int \operatorname{atan}{\left(\sqrt{x} \right)}\, dx$$$ を求めよ。

積分 $$$\int{\operatorname{atan}{\left(\sqrt{x} \right)} d x}$$$ 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。

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

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(\operatorname{atan}{\left(\sqrt{x} \right)}\right)^{\prime }dx=\frac{1}{2 \sqrt{x} \left(x + 1\right)} dx$$$（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、

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

被積分関数を簡単化する:

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

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

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

$$$u=\sqrt{x}$$$ とする。

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

積分は次のようになります

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

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:

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=\sqrt{x}$$$:

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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