$$$\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}}$$$の積分

$$$\int \frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}}\, dx$$$ を求めよ。

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{4}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}} d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}} d x}}{4}\right)}}$$

$$$u=\frac{1}{x}$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

$$\frac{{\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{x^{2}} d x}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\int{\left(- \operatorname{acot}{\left(u \right)}\right)d u}}}}{4}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=-1$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \operatorname{acot}{\left(u \right)}$$$ に対して適用する:

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(- \operatorname{acot}{\left(u \right)}\right)d u}}}}{4} = \frac{{\color{red}{\left(- \int{\operatorname{acot}{\left(u \right)} d u}\right)}}}{4}$$

積分 $$$\int{\operatorname{acot}{\left(u \right)} d u}$$$ には、部分積分法$$$\int \operatorname{\omega} \operatorname{dv} = \operatorname{\omega}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{d\omega}$$$を用いてください。

$$$\operatorname{\omega}=\operatorname{acot}{\left(u \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=du$$$ とする。

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

したがって、

$$- \frac{{\color{red}{\int{\operatorname{acot}{\left(u \right)} d u}}}}{4}=- \frac{{\color{red}{\left(\operatorname{acot}{\left(u \right)} \cdot u-\int{u \cdot \left(- \frac{1}{u^{2} + 1}\right) d u}\right)}}}{4}=- \frac{{\color{red}{\left(u \operatorname{acot}{\left(u \right)} - \int{\left(- \frac{u}{u^{2} + 1}\right)d u}\right)}}}{4}$$

$$$v=u^{2} + 1$$$ とする。

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

したがって、

$$- \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{u}{u^{2} + 1}\right)d u}}}}{4} = - \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 v}\right)d v}}}}{4}$$

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

$$- \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 v}\right)d v}}}}{4} = - \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} + \frac{{\color{red}{\left(- \frac{\int{\frac{1}{v} d v}}{2}\right)}}}{4}$$

$$$\frac{1}{v}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$ です:

$$- \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{8} = - \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} - \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{8}$$

次のことを思い出してください $$$v=u^{2} + 1$$$:

$$- \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{8} = - \frac{u \operatorname{acot}{\left(u \right)}}{4} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u^{2} + 1\right)}}}\right| \right)}}{8}$$

次のことを思い出してください $$$u=\frac{1}{x}$$$:

$$- \frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{u}}^{2} \right)}}{8} - \frac{{\color{red}{u}} \operatorname{acot}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{4} = - \frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{\frac{1}{x}}}^{2} \right)}}{8} - \frac{{\color{red}{\frac{1}{x}}} \operatorname{acot}{\left({\color{red}{\frac{1}{x}}} \right)}}{4}$$

したがって、

$$\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}} d x} = - \frac{\ln{\left(1 + \frac{1}{x^{2}} \right)}}{8} - \frac{\operatorname{acot}{\left(\frac{1}{x} \right)}}{4 x}$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}} d x} = \frac{- x \left(- 2 \ln{\left(x \right)} + \ln{\left(x^{2} + 1 \right)}\right) - 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{8 x}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}} d x} = \frac{- x \left(- 2 \ln{\left(x \right)} + \ln{\left(x^{2} + 1 \right)}\right) - 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{8 x}+C$$

$$$\int \frac{\operatorname{atan}{\left(x \right)}}{4 x^{2}}\, dx = \frac{- x \left(- 2 \ln\left(x\right) + \ln\left(x^{2} + 1\right)\right) - 2 \operatorname{atan}{\left(x \right)}}{8 x} + C$$$A