$$$x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}$$$의 적분

$$$\int x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\, dx$$$을(를) 구하시오.

적분 $$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x}$$$에 대해서는 부분적분법 $$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$을 사용하십시오.

$$$\operatorname{u}=\operatorname{atan}{\left(4 x \right)}$$$와 $$$\operatorname{dv}=x^{2} dx$$$라고 하자.

그러면 $$$\operatorname{du}=\left(\operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\right)^{\prime }dx=\frac{4}{16 x^{2} + 1} dx$$$ (»에서 풀이 과정을 볼 수 있음) 및 $$$\operatorname{v}=\int{x^{2} d x}=\frac{x^{3}}{3}$$$ (»에서 풀이 과정을 볼 수 있음).

따라서,

$${\color{red}{\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x}}}={\color{red}{\left(\operatorname{atan}{\left(4 x \right)} \cdot \frac{x^{3}}{3}-\int{\frac{x^{3}}{3} \cdot \frac{4}{16 x^{2} + 1} d x}\right)}}={\color{red}{\left(\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \int{\frac{4 x^{3}}{48 x^{2} + 3} d x}\right)}}$$

피적분함수를 단순화하세요.:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\int{\frac{4 x^{3}}{48 x^{2} + 3} d x}}} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\int{\frac{4 x^{3}}{3 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}}$$

상수배 법칙 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$을 $$$c=\frac{4}{3}$$$와 $$$f{\left(x \right)} = \frac{x^{3}}{16 x^{2} + 1}$$$에 적용하세요:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\int{\frac{4 x^{3}}{3 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - {\color{red}{\left(\frac{4 \int{\frac{x^{3}}{16 x^{2} + 1} d x}}{3}\right)}}$$

분자의 차수가 분모의 차수보다 크거나 같으므로 다항식의 긴 나눗셈을 수행하십시오(단계는 »에서 볼 수 있습니다):

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{x^{3}}{16 x^{2} + 1} d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\left(\frac{x}{16} - \frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)}\right)d x}}}}{3}$$

각 항별로 적분하십시오:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\left(\frac{x}{16} - \frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)}\right)d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\left(\int{\frac{x}{16} d x} - \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}\right)}}}{3}$$

상수배 법칙 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$을 $$$c=\frac{1}{16}$$$와 $$$f{\left(x \right)} = x$$$에 적용하세요:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{x}{16} d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{4 {\color{red}{\left(\frac{\int{x d x}}{16}\right)}}}{3}$$

멱법칙($$$\int x^{n}\, dx = \frac{x^{n + 1}}{n + 1}$$$ $$$\left(n \neq -1 \right)$$$)을 $$$n=1$$$에 적용합니다:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{{\color{red}{\int{x d x}}}}{12}=\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{{\color{red}{\frac{x^{1 + 1}}{1 + 1}}}}{12}=\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} + \frac{4 \int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}{3} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{x^{2}}{2}\right)}}}{12}$$

$$$u=256 x^{2} + 16$$$라 하자.

그러면 $$$du=\left(256 x^{2} + 16\right)^{\prime }dx = 512 x dx$$$ (단계는 »에서 볼 수 있습니다), 그리고 $$$x dx = \frac{du}{512}$$$임을 얻습니다.

따라서,

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{x}{16 \left(16 x^{2} + 1\right)} d x}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{1}{512 u} d u}}}}{3}$$

상수배 법칙 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$을 $$$c=\frac{1}{512}$$$와 $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u}$$$에 적용하세요:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\int{\frac{1}{512 u} d u}}}}{3} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{4 {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{u} d u}}{512}\right)}}}{3}$$

$$$\frac{1}{u}$$$의 적분은 $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{384} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{384}$$

다음 $$$u=256 x^{2} + 16$$$을 기억하라:

$$\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{384} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(256 x^{2} + 16\right)}}}\right| \right)}}{384}$$

따라서,

$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(256 x^{2} + 16 \right)}}{384}$$

간단히 하시오:

$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(16 x^{2} + 1 \right)}}{384} + \frac{\ln{\left(2 \right)}}{96}$$

적분 상수를 추가하고(식에서 상수항을 제거하십시오):

$$\int{x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = \frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln{\left(16 x^{2} + 1 \right)}}{384}+C$$

$$$\int x^{2} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\, dx = \left(\frac{x^{3} \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}}{3} - \frac{x^{2}}{24} + \frac{\ln\left(16 x^{2} + 1\right)}{384}\right) + C$$$A