$$$\ln\left(x^{2} + 1\right)$$$の積分

$$$\int \ln\left(x^{2} + 1\right)\, dx$$$ を求めよ。

積分 $$$\int{\ln{\left(x^{2} + 1 \right)} d x}$$$ 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。

$$$\operatorname{u}=\ln{\left(x^{2} + 1 \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=dx$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

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

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

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

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

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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