$$$\frac{1}{e^{x} + 1}$$$の積分

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

$$$u=e^{x}$$$ とする。

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

したがって、

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

部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):

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

項別に積分せよ:

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

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

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

$$$v=u + 1$$$ とする。

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

したがって、

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

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

$$\ln{\left(\left|{u}\right| \right)} - {\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)} - {\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}$$

次のことを思い出してください $$$v=u + 1$$$:

$$\ln{\left(\left|{u}\right| \right)} - \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)} - \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u + 1\right)}}}\right| \right)}$$

次のことを思い出してください $$$u=e^{x}$$$:

$$- \ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{u}}}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)} = - \ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{e^{x}}}}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{{\color{red}{e^{x}}}}\right| \right)}$$

したがって、

$$\int{\frac{1}{e^{x} + 1} d x} = x - \ln{\left(e^{x} + 1 \right)}$$

積分定数を加える:

$$\int{\frac{1}{e^{x} + 1} d x} = x - \ln{\left(e^{x} + 1 \right)}+C$$

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