$$$\frac{\ln\left(1 - x^{2}\right)}{2}$$$の積分
入力内容
$$$\int \frac{\ln\left(1 - x^{2}\right)}{2}\, dx$$$ を求めよ。
解答
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \ln{\left(1 - x^{2} \right)}$$$ に対して適用する:
$${\color{red}{\int{\frac{\ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} d x}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\ln{\left(1 - x^{2} \right)} d x}}{2}\right)}}$$
積分 $$$\int{\ln{\left(1 - x^{2} \right)} d x}$$$ 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。
$$$\operatorname{u}=\ln{\left(1 - x^{2} \right)}$$$ と $$$\operatorname{dv}=dx$$$ とする。
したがって、$$$\operatorname{du}=\left(\ln{\left(1 - x^{2} \right)}\right)^{\prime }dx=\frac{2 x}{x^{2} - 1} dx$$$（手順は»を参照）および$$$\operatorname{v}=\int{1 d x}=x$$$（手順は»を参照）。
したがって、
$$\frac{{\color{red}{\int{\ln{\left(1 - x^{2} \right)} d x}}}}{2}=\frac{{\color{red}{\left(\ln{\left(1 - x^{2} \right)} \cdot x-\int{x \cdot \frac{2 x}{x^{2} - 1} d x}\right)}}}{2}=\frac{{\color{red}{\left(x \ln{\left(1 - x^{2} \right)} - \int{\frac{2 x^{2}}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x}\right)}}}{2}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=2$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{x^{2}}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)}$$$ に対して適用する:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{2 x^{2}}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x}}}}{2} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - \frac{{\color{red}{\left(2 \int{\frac{x^{2}}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x}\right)}}}{2}$$
分子の次数が分母の次数以上であるため、多項式の長除法を行います（手順は»で確認できます）:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\frac{x^{2}}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\left(1 + \frac{1}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)}\right)d x}}}$$
項別に積分せよ:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - {\color{red}{\int{\left(1 + \frac{1}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)}\right)d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - {\color{red}{\left(\int{1 d x} + \int{\frac{1}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x}\right)}}$$
$$$c=1$$$ に対して定数則 $$$\int c\, dx = c x$$$ を適用する:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - \int{\frac{1}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x} - {\color{red}{\int{1 d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - \int{\frac{1}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x} - {\color{red}{x}}$$
部分分数分解を行う (手順は»で確認できます):
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - {\color{red}{\int{\frac{1}{\left(x - 1\right) \left(x + 1\right)} d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 \left(x + 1\right)} + \frac{1}{2 \left(x - 1\right)}\right)d x}}}$$
項別に積分せよ:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - {\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{2 \left(x + 1\right)} + \frac{1}{2 \left(x - 1\right)}\right)d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - {\color{red}{\left(\int{\frac{1}{2 \left(x - 1\right)} d x} - \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x}\right)}}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x - 1}$$$ に対して適用する:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} - {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \left(x - 1\right)} d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} - {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{x - 1} d x}}{2}\right)}}$$
$$$u=x - 1$$$ とする。
すると $$$du=\left(x - 1\right)^{\prime }dx = 1 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = du$$$ となります。
したがって、
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{x - 1} d x}}}}{2} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2}$$
$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} - \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2}$$
次のことを思い出してください $$$u=x - 1$$$:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(x - 1\right)}}}\right| \right)}}{2} + \int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x}$$
定数倍の法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ を、$$$c=\frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{x + 1}$$$ に対して適用する:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + {\color{red}{\int{\frac{1}{2 \left(x + 1\right)} d x}}} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{x + 1} d x}}{2}\right)}}$$
$$$u=x + 1$$$ とする。
すると $$$du=\left(x + 1\right)^{\prime }dx = 1 dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = du$$$ となります。
したがって、
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{x + 1} d x}}}}{2} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2}$$
$$$\frac{1}{u}$$$ の不定積分は $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$ です:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2}$$
次のことを思い出してください $$$u=x + 1$$$:
$$\frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(x + 1\right)}}}\right| \right)}}{2}$$
したがって、
$$\int{\frac{\ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} d x} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{x + 1}\right| \right)}}{2}$$
積分定数を加える:
$$\int{\frac{\ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} d x} = \frac{x \ln{\left(1 - x^{2} \right)}}{2} - x - \frac{\ln{\left(\left|{x - 1}\right| \right)}}{2} + \frac{\ln{\left(\left|{x + 1}\right| \right)}}{2}+C$$
解答
$$$\int \frac{\ln\left(1 - x^{2}\right)}{2}\, dx = \left(\frac{x \ln\left(1 - x^{2}\right)}{2} - x - \frac{\ln\left(\left|{x - 1}\right|\right)}{2} + \frac{\ln\left(\left|{x + 1}\right|\right)}{2}\right) + C$$$A