$$$\frac{1}{x^{2} + 4}$$$の積分

$$$\int \frac{1}{x^{2} + 4}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=\frac{x}{2}$$$ とする。

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

この積分は次のように書き換えられる

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

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 $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u^{2} + 1}$$$ に対して適用する:

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=\frac{x}{2}$$$:

$$\frac{\operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} = \frac{\operatorname{atan}{\left({\color{red}{\left(\frac{x}{2}\right)}} \right)}}{2}$$

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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