$$$x \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}$$$の積分

$$$\int x \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}\, dx$$$ を求めよ。

積分 $$$\int{x \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)} d x}$$$ 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。

$$$\operatorname{u}=\operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=x dx$$$ とする。

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

積分は次のようになります

$${\color{red}{\int{x \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)} d x}}}={\color{red}{\left(\operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)} \cdot \frac{x^{2}}{2}-\int{\frac{x^{2}}{2} \cdot \frac{4 x}{\sqrt{2 - x^{4}}} d x}\right)}}={\color{red}{\left(\frac{x^{2} \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}}{2} - \int{\frac{2 x^{3}}{\sqrt{2 - x^{4}}} d x}\right)}}$$

$$$u=2 - x^{4}$$$ とする。

すると $$$du=\left(2 - x^{4}\right)^{\prime }dx = - 4 x^{3} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$x^{3} dx = - \frac{du}{4}$$$ となります。

この積分は次のように書き換えられる

$$\frac{x^{2} \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\frac{2 x^{3}}{\sqrt{2 - x^{4}}} d x}}} = \frac{x^{2} \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 \sqrt{u}}\right)d u}}}$$

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

$$\frac{x^{2} \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 \sqrt{u}}\right)d u}}} = \frac{x^{2} \operatorname{acos}{\left(1 - x^{4} \right)}}{2} - {\color{red}{\left(- \frac{\int{\frac{1}{\sqrt{u}} d u}}{2}\right)}}$$

$$$n=- \frac{1}{2}$$$ を用いて、べき乗の法則 $$$\int u^{n}\, du = \frac{u^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$ を適用します:

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

次のことを思い出してください $$$u=2 - x^{4}$$$:

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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