$$$x^{2} e^{4 x}$$$の積分

$$$\int x^{2} e^{4 x}\, dx$$$ を求めよ。

積分 $$$\int{x^{2} e^{4 x} d x}$$$ 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。

$$$\operatorname{u}=x^{2}$$$ と $$$\operatorname{dv}=e^{4 x} dx$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(x^{2}\right)^{\prime }dx=2 x dx$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{e^{4 x} d x}=\frac{e^{4 x}}{4}$$$（手順は»を参照）。

したがって、

$${\color{red}{\int{x^{2} e^{4 x} d x}}}={\color{red}{\left(x^{2} \cdot \frac{e^{4 x}}{4}-\int{\frac{e^{4 x}}{4} \cdot 2 x d x}\right)}}={\color{red}{\left(\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \int{\frac{x e^{4 x}}{2} d x}\right)}}$$

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

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

積分 $$$\int{x e^{4 x} d x}$$$ 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。

$$$\operatorname{u}=x$$$ と $$$\operatorname{dv}=e^{4 x} dx$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(x\right)^{\prime }dx=1 dx$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{e^{4 x} d x}=\frac{e^{4 x}}{4}$$$（手順は»を参照）。

したがって、

$$\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{x e^{4 x} d x}}}}{2}=\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{{\color{red}{\left(x \cdot \frac{e^{4 x}}{4}-\int{\frac{e^{4 x}}{4} \cdot 1 d x}\right)}}}{2}=\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{x e^{4 x}}{4} - \int{\frac{e^{4 x}}{4} d x}\right)}}}{2}$$

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 $$$f{\left(x \right)} = e^{4 x}$$$ に対して適用する:

$$\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{e^{4 x}}{4} d x}}}}{2} = \frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{e^{4 x} d x}}{4}\right)}}}{2}$$

$$$u=4 x$$$ とする。

すると $$$du=\left(4 x\right)^{\prime }dx = 4 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = \frac{du}{4}$$$ となります。

したがって、

$$\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{e^{4 x} d x}}}}{8} = \frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{e^{u}}{4} d u}}}}{8}$$

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

$$\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{e^{u}}{4} d u}}}}{8} = \frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{e^{u} d u}}{4}\right)}}}{8}$$

指数関数の積分は $$$\int{e^{u} d u} = e^{u}$$$です:

$$\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{\int{e^{u} d u}}}}{32} = \frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{{\color{red}{e^{u}}}}{32}$$

次のことを思い出してください $$$u=4 x$$$:

$$\frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{e^{{\color{red}{u}}}}{32} = \frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{e^{{\color{red}{\left(4 x\right)}}}}{32}$$

したがって、

$$\int{x^{2} e^{4 x} d x} = \frac{x^{2} e^{4 x}}{4} - \frac{x e^{4 x}}{8} + \frac{e^{4 x}}{32}$$

簡単化せよ:

$$\int{x^{2} e^{4 x} d x} = \frac{\left(8 x^{2} - 4 x + 1\right) e^{4 x}}{32}$$

積分定数を加える:

$$\int{x^{2} e^{4 x} d x} = \frac{\left(8 x^{2} - 4 x + 1\right) e^{4 x}}{32}+C$$

$$$\int x^{2} e^{4 x}\, dx = \frac{\left(8 x^{2} - 4 x + 1\right) e^{4 x}}{32} + C$$$A