$$$f \left(x + \frac{1}{x}\right)$$$ の $$$x$$$ に関する積分
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入力内容
$$$\int f \left(x + \frac{1}{x}\right)\, dx$$$ を求めよ。
解答
Expand the expression:
$${\color{red}{\int{f \left(x + \frac{1}{x}\right) d x}}} = {\color{red}{\int{\left(f x + \frac{f}{x}\right)d x}}}$$
項別に積分せよ:
$${\color{red}{\int{\left(f x + \frac{f}{x}\right)d x}}} = {\color{red}{\left(\int{\frac{f}{x} d x} + \int{f x d x}\right)}}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=f$$$ と $$$f{\left(x \right)} = x$$$ に対して適用する:
$$\int{\frac{f}{x} d x} + {\color{red}{\int{f x d x}}} = \int{\frac{f}{x} d x} + {\color{red}{f \int{x d x}}}$$
$$$n=1$$$ 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:
$$f {\color{red}{\int{x d x}}} + \int{\frac{f}{x} d x}=f {\color{red}{\frac{x^{1 + 1}}{1 + 1}}} + \int{\frac{f}{x} d x}=f {\color{red}{\left(\frac{x^{2}}{2}\right)}} + \int{\frac{f}{x} d x}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=f$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x}$$$ に対して適用する:
$$\frac{f x^{2}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{f}{x} d x}}} = \frac{f x^{2}}{2} + {\color{red}{f \int{\frac{1}{x} d x}}}$$
$$$\frac{1}{x}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{x} d x} = \ln{\left(\left|{x}\right| \right)}$$$ です:
$$\frac{f x^{2}}{2} + f {\color{red}{\int{\frac{1}{x} d x}}} = \frac{f x^{2}}{2} + f {\color{red}{\ln{\left(\left|{x}\right| \right)}}}$$
したがって、
$$\int{f \left(x + \frac{1}{x}\right) d x} = \frac{f x^{2}}{2} + f \ln{\left(\left|{x}\right| \right)}$$
簡単化せよ:
$$\int{f \left(x + \frac{1}{x}\right) d x} = \frac{f \left(x^{2} + 2 \ln{\left(\left|{x}\right| \right)}\right)}{2}$$
積分定数を加える:
$$\int{f \left(x + \frac{1}{x}\right) d x} = \frac{f \left(x^{2} + 2 \ln{\left(\left|{x}\right| \right)}\right)}{2}+C$$
解答
$$$\int f \left(x + \frac{1}{x}\right)\, dx = \frac{f \left(x^{2} + 2 \ln\left(\left|{x}\right|\right)\right)}{2} + C$$$A