$$$\frac{1}{a^{2} + x^{2}}$$$ の $$$x$$$ に関する積分

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

$$$u=\frac{x}{\left|{a}\right|}$$$ とする。

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

したがって、

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

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

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

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

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

次のことを思い出してください $$$u=\frac{x}{\left|{a}\right|}$$$:

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

したがって、

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

積分定数を加える:

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

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