$$$\frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x}$$$の積分

$$$\int \frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x}\, dx$$$ を求めよ。

$$$x=\frac{5 \cosh{\left(u \right)}}{2}$$$ とする。

すると $$$dx=\left(\frac{5 \cosh{\left(u \right)}}{2}\right)^{\prime }du = \frac{5 \sinh{\left(u \right)}}{2} du$$$ (手順は»で確認できます)。

また、$$$u=\operatorname{acosh}{\left(\frac{2 x}{5} \right)}$$$が成り立つ。

したがって、

$$$\frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x} = \frac{2 \sqrt{25 \cosh^{2}{\left( u \right)} - 25}}{5 \cosh{\left( u \right)}}$$$

恒等式 $$$\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1 = \sinh^{2}{\left( u \right)}$$$ を用いよ:

$$$\frac{2 \sqrt{25 \cosh^{2}{\left( u \right)} - 25}}{5 \cosh{\left( u \right)}}=\frac{2 \sqrt{\cosh^{2}{\left( u \right)} - 1}}{\cosh{\left( u \right)}}=\frac{2 \sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}}}{\cosh{\left( u \right)}}$$$

$$$\sinh{\left( u \right)} \ge 0$$$ を仮定すると、以下が得られる:

$$$\frac{2 \sqrt{\sinh^{2}{\left( u \right)}}}{\cosh{\left( u \right)}} = \frac{2 \sinh{\left( u \right)}}{\cosh{\left( u \right)}}$$$

積分は次のようになる

$${\color{red}{\int{\frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{5 \sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh{\left(u \right)}} d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=5$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh{\left(u \right)}}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{5 \sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh{\left(u \right)}} d u}}} = {\color{red}{\left(5 \int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh{\left(u \right)}} d u}\right)}}$$

分子と分母に双曲線余弦を1つ掛け、残りはすべて双曲線正弦で表し、$$$\alpha= u $$$ を用いた公式 $$$\cosh^2\left(\alpha \right)=\sinh^2\left(\alpha \right)+1$$$ を用いてください。:

$$5 {\color{red}{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)}}{\cosh{\left(u \right)}} d u}}} = 5 {\color{red}{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)} \cosh{\left(u \right)}}{\sinh^{2}{\left(u \right)} + 1} d u}}}$$

$$$v=\sinh{\left(u \right)}$$$ とする。

すると $$$dv=\left(\sinh{\left(u \right)}\right)^{\prime }du = \cosh{\left(u \right)} du$$$（手順は»で確認できます）、$$$\cosh{\left(u \right)} du = dv$$$ となります。

この積分は次のように書き換えられる

$$5 {\color{red}{\int{\frac{\sinh^{2}{\left(u \right)} \cosh{\left(u \right)}}{\sinh^{2}{\left(u \right)} + 1} d u}}} = 5 {\color{red}{\int{\frac{v^{2}}{v^{2} + 1} d v}}}$$

分数を変形して分解する:

$$5 {\color{red}{\int{\frac{v^{2}}{v^{2} + 1} d v}}} = 5 {\color{red}{\int{\left(1 - \frac{1}{v^{2} + 1}\right)d v}}}$$

項別に積分せよ:

$$5 {\color{red}{\int{\left(1 - \frac{1}{v^{2} + 1}\right)d v}}} = 5 {\color{red}{\left(\int{1 d v} - \int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}\right)}}$$

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

$$- 5 \int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v} + 5 {\color{red}{\int{1 d v}}} = - 5 \int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v} + 5 {\color{red}{v}}$$

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

$$5 v - 5 {\color{red}{\int{\frac{1}{v^{2} + 1} d v}}} = 5 v - 5 {\color{red}{\operatorname{atan}{\left(v \right)}}}$$

次のことを思い出してください $$$v=\sinh{\left(u \right)}$$$:

$$- 5 \operatorname{atan}{\left({\color{red}{v}} \right)} + 5 {\color{red}{v}} = - 5 \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\sinh{\left(u \right)}}} \right)} + 5 {\color{red}{\sinh{\left(u \right)}}}$$

次のことを思い出してください $$$u=\operatorname{acosh}{\left(\frac{2 x}{5} \right)}$$$:

$$5 \sinh{\left({\color{red}{u}} \right)} - 5 \operatorname{atan}{\left(\sinh{\left({\color{red}{u}} \right)} \right)} = 5 \sinh{\left({\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(\frac{2 x}{5} \right)}}} \right)} - 5 \operatorname{atan}{\left(\sinh{\left({\color{red}{\operatorname{acosh}{\left(\frac{2 x}{5} \right)}}} \right)} \right)}$$

したがって、

$$\int{\frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x} d x} = 5 \sqrt{\frac{2 x}{5} - 1} \sqrt{\frac{2 x}{5} + 1} - 5 \operatorname{atan}{\left(\sqrt{\frac{2 x}{5} - 1} \sqrt{\frac{2 x}{5} + 1} \right)}$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x} d x} = \sqrt{2 x - 5} \sqrt{2 x + 5} - 5 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{2 x - 5} \sqrt{2 x + 5}}{5} \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x} d x} = \sqrt{2 x - 5} \sqrt{2 x + 5} - 5 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{2 x - 5} \sqrt{2 x + 5}}{5} \right)}+C$$

$$$\int \frac{\sqrt{4 x^{2} - 25}}{x}\, dx = \left(\sqrt{2 x - 5} \sqrt{2 x + 5} - 5 \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{2 x - 5} \sqrt{2 x + 5}}{5} \right)}\right) + C$$$A