$$$\ln^{2}\left(4 x\right)$$$ 的积分

求$$$\int \ln^{2}\left(4 x\right)\, dx$$$。

设$$$u=4 x$$$。

则$$$du=\left(4 x\right)^{\prime }dx = 4 dx$$$ (步骤见»)，并有$$$dx = \frac{du}{4}$$$。

因此，

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

对 $$$c=\frac{1}{4}$$$ 和 $$$f{\left(u \right)} = \ln{\left(u \right)}^{2}$$$ 应用常数倍法则 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$：

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

对于积分$$$\int{\ln{\left(u \right)}^{2} d u}$$$，使用分部积分法$$$\int \operatorname{\mu} \operatorname{dv} = \operatorname{\mu}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{d\mu}$$$。

设 $$$\operatorname{\mu}=\ln{\left(u \right)}^{2}$$$ 和 $$$\operatorname{dv}=du$$$。

则 $$$\operatorname{d\mu}=\left(\ln{\left(u \right)}^{2}\right)^{\prime }du=\frac{2 \ln{\left(u \right)}}{u} du$$$ (步骤见 »)，并且 $$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$ (步骤见 »)。

因此，

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

对 $$$c=2$$$ 和 $$$f{\left(u \right)} = \ln{\left(u \right)}$$$ 应用常数倍法则 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$：

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

对于积分$$$\int{\ln{\left(u \right)} d u}$$$，使用分部积分法$$$\int \operatorname{\mu} \operatorname{dv} = \operatorname{\mu}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{d\mu}$$$。

设 $$$\operatorname{\mu}=\ln{\left(u \right)}$$$ 和 $$$\operatorname{dv}=du$$$。

则 $$$\operatorname{d\mu}=\left(\ln{\left(u \right)}\right)^{\prime }du=\frac{du}{u}$$$ (步骤见 »)，并且 $$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$ (步骤见 »)。

该积分可以改写为

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

应用常数法则 $$$\int c\, du = c u$$$，使用 $$$c=1$$$：

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

回忆一下 $$$u=4 x$$$:

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

因此，

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

化简：

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

加上积分常数：

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

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