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

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

積分 $$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x}$$$ 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。

$$$\operatorname{u}=\operatorname{atan}{\left(4 x \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=x^{2} dx$$$ とする。

したがって、$$$\operatorname{du}=\left(\operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\right)^{\prime }dx=\frac{4}{16 x^{2} + 1} dx$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{x^{2} d x}=\frac{x^{3}}{3}$$$（手順は»を参照）。

この積分は次のように書き換えられる

$${\color{red}{\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x}}}={\color{red}{\left(\operatorname{atan}{\left(4 x \right)} \cdot \frac{x^{3}}{3}-\int{\frac{x^{3}}{3} \cdot \frac{4}{16 x^{2} + 1} d x}\right)}}={\color{red}{\left(\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \int{\frac{4 x^{3}}{48 x^{2} + 3} d x}\right)}}$$

被積分関数を簡単化する:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\int{\frac{4 x^{3}}{48 x^{2} + 3} d x}}} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\int{\frac{4 x^{3}}{3 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{4}{3}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{x^{3}}{16 x^{2} + 1}$$$ に対して適用する:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\int{\frac{4 x^{3}}{3 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\left(\frac{4 \int{\frac{x^{3}}{16 x^{2} + 1} d x}}{3}\right)}}$$

分子の次数が分母の次数以上であるため、多項式の長除法を行います（手順は»で確認できます）:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{x^{3}}{16 x^{2} + 1} d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\left(\frac{x}{16} - \frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)}\right)d x}}}}{3}$$

項別に積分せよ:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\left(\frac{x}{16} - \frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)}\right)d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\left(\int{\frac{x}{16} d x} - \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}\right)}}}{3}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{16}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = x$$$ に対して適用する:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{x}{16} d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\left(\frac{\int{x d x}}{16}\right)}}}{3}$$

$$$n=1$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int x^{n}\, dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{x d x}}}}{12}=\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{{\color{red}{\frac{x^{1 + 1}}{1 + 1}}}}{12}=\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{x^{2}}{2}\right)}}}{12}$$

$$$u=256 x^{2} + 16$$$ とする。

すると $$$du=\left(256 x^{2} + 16\right)^{\prime }dx = 512 x dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$x dx = \frac{du}{512}$$$ となります。

したがって、

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{1}{512 u} d u}}}}{3}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{512}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u}$$$ に対して適用する:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{1}{512 u} d u}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{u} d u}}{512}\right)}}}{3}$$

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

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{384} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{384}$$

次のことを思い出してください $$$u=256 x^{2} + 16$$$:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{384} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(256 x^{2} + 16\right)}}}\right| \right)}}{384}$$

したがって、

$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(256 x^{2} + 16 \right)}}{384}$$

簡単化せよ:

$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(16 x^{2} + 1 \right)}}{384} + \frac{\ln{\left(2 \right)}}{96}$$

積分定数を加える（式から定数を取り除く）：

$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(16 x^{2} + 1 \right)}}{384}+C$$

$$$\int x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\, dx = \left(\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln\left(16 x^{2} + 1\right)}{384}\right) + C$$$A