$$$\frac{\sqrt{x^{2} - 1}}{x}$$$の積分

$$$\int \frac{\sqrt{x^{2} - 1}}{x}\, dx$$$ を求めよ。

$$$x=\cosh{\left(u \right)}$$$ とする。

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

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

したがって、

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

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

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

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

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

したがって、

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

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。:

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

$$$v=\sinh{\left(u \right)}$$$ 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。

したがって、

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

分数を変形して分解する:

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

項別に積分せよ:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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