$$$\frac{\sqrt{x}}{1 - x}$$$ 的積分

求$$$\int \frac{\sqrt{x}}{1 - x}\, dx$$$。

令 $$$u=\sqrt{x}$$$。

則 $$$du=\left(\sqrt{x}\right)^{\prime }dx = \frac{1}{2 \sqrt{x}} dx$$$ (步驟見»)，並可得 $$$\frac{dx}{\sqrt{x}} = 2 du$$$。

該積分可改寫為

$${\color{red}{\int{\frac{\sqrt{x}}{1 - x} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{2 u^{2}}{1 - u^{2}} d u}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=2$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = \frac{u^{2}}{1 - u^{2}}$$$：

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

由於分子次數不小於分母次數，進行多項式長除法（步驟見»）:

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

逐項積分：

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

配合 $$$c=1$$$，應用常數法則 $$$\int c\, du = c u$$$：

$$2 \int{\frac{1}{1 - u^{2}} d u} - 2 {\color{red}{\int{1 d u}}} = 2 \int{\frac{1}{1 - u^{2}} d u} - 2 {\color{red}{u}}$$

進行部分分式分解（步驟可見 »）:

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

逐項積分：

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

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=\frac{1}{2}$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u + 1}$$$：

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

令 $$$v=u + 1$$$。

則 $$$dv=\left(u + 1\right)^{\prime }du = 1 du$$$ (步驟見»)，並可得 $$$du = dv$$$。

所以，

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

$$$\frac{1}{v}$$$ 的積分是 $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$：

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

回顧一下 $$$v=u + 1$$$：

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

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=\frac{1}{2}$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u - 1}$$$：

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

令 $$$v=u - 1$$$。

則 $$$dv=\left(u - 1\right)^{\prime }du = 1 du$$$ (步驟見»)，並可得 $$$du = dv$$$。

該積分變為

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

$$$\frac{1}{v}$$$ 的積分是 $$$\int{\frac{1}{v} d v} = \ln{\left(\left|{v}\right| \right)}$$$：

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

回顧一下 $$$v=u - 1$$$：

$$- 2 u + \ln{\left(\left|{u + 1}\right| \right)} - \ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)} = - 2 u + \ln{\left(\left|{u + 1}\right| \right)} - \ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u - 1\right)}}}\right| \right)}$$

回顧一下 $$$u=\sqrt{x}$$$：

$$- \ln{\left(\left|{-1 + {\color{red}{u}}}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{u}}}\right| \right)} - 2 {\color{red}{u}} = - \ln{\left(\left|{-1 + {\color{red}{\sqrt{x}}}}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{1 + {\color{red}{\sqrt{x}}}}\right| \right)} - 2 {\color{red}{\sqrt{x}}}$$

因此，

$$\int{\frac{\sqrt{x}}{1 - x} d x} = - 2 \sqrt{x} - \ln{\left(\left|{\sqrt{x} - 1}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{\sqrt{x} + 1}\right| \right)}$$

加上積分常數：

$$\int{\frac{\sqrt{x}}{1 - x} d x} = - 2 \sqrt{x} - \ln{\left(\left|{\sqrt{x} - 1}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{\sqrt{x} + 1}\right| \right)}+C$$

$$$\int \frac{\sqrt{x}}{1 - x}\, dx = \left(- 2 \sqrt{x} - \ln\left(\left|{\sqrt{x} - 1}\right|\right) + \ln\left(\left|{\sqrt{x} + 1}\right|\right)\right) + C$$$A