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

$$$\int \frac{4 x}{\left(x - 2\right)^{2}}\, dx$$$ 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、$$$c=4$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{x}{\left(x - 2\right)^{2}}$$$ に対して適用する:

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

被積分関数の分子を$$$x=x - 2+2$$$として書き換え、分数を分解する:

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

項別に積分せよ:

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

$$$u=x - 2$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=x - 2$$$:

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

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

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

$$$u=x - 2$$$ とする。

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

したがって、

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

$$$n=-2$$$ 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:

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

次のことを思い出してください $$$u=x - 2$$$:

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

したがって、

$$\int{\frac{4 x}{\left(x - 2\right)^{2}} d x} = 4 \ln{\left(\left|{x - 2}\right| \right)} - \frac{8}{x - 2}$$

簡単化せよ:

$$\int{\frac{4 x}{\left(x - 2\right)^{2}} d x} = \frac{4 \left(\left(x - 2\right) \ln{\left(\left|{x - 2}\right| \right)} - 2\right)}{x - 2}$$

積分定数を加える:

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

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