$$$\sqrt{\frac{1 - \sqrt{x}}{\sqrt{x}}}$$$ 的積分

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

已將輸入重寫為：$$$\int{\sqrt{\frac{1 - \sqrt{x}}{\sqrt{x}}} d x}=\int{\frac{\sqrt{1 - \sqrt{x}}}{\sqrt[4]{x}} d x}$$$。

令 $$$u=\sqrt[4]{x}$$$。

則 $$$du=\left(\sqrt[4]{x}\right)^{\prime }dx = \frac{1}{4 x^{\frac{3}{4}}} dx$$$ (步驟見»)，並可得 $$$\frac{dx}{x^{\frac{3}{4}}} = 4 du$$$。

該積分可改寫為

$${\color{red}{\int{\frac{\sqrt{1 - \sqrt{x}}}{\sqrt[4]{x}} d x}}} = {\color{red}{\int{4 u^{2} \sqrt{1 - u^{2}} d u}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=4$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = u^{2} \sqrt{1 - u^{2}}$$$：

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

令 $$$u=\sin{\left(v \right)}$$$。

則 $$$du=\left(\sin{\left(v \right)}\right)^{\prime }dv = \cos{\left(v \right)} dv$$$（步驟見»）。

此外，由此可得 $$$v=\operatorname{asin}{\left(u \right)}$$$。

被積函數變為

$$$ u ^{2} \sqrt{1 - u ^{2}} = \sqrt{1 - \sin^{2}{\left( v \right)}} \sin^{2}{\left( v \right)}$$$

使用恆等式 $$$1 - \sin^{2}{\left( v \right)} = \cos^{2}{\left( v \right)}$$$：

$$$\sqrt{1 - \sin^{2}{\left( v \right)}} \sin^{2}{\left( v \right)}=\sqrt{\cos^{2}{\left( v \right)}} \sin^{2}{\left( v \right)}$$$

假設 $$$\cos{\left( v \right)} \ge 0$$$，可得如下：

$$$\sqrt{\cos^{2}{\left( v \right)}} \sin^{2}{\left( v \right)} = \sin^{2}{\left( v \right)} \cos{\left( v \right)}$$$

因此，

$$4 {\color{red}{\int{u^{2} \sqrt{1 - u^{2}} d u}}} = 4 {\color{red}{\int{\sin^{2}{\left(v \right)} \cos^{2}{\left(v \right)} d v}}}$$

使用倍角公式 $$$\sin\left( v \right)\cos\left( v \right)=\frac{1}{2}\sin\left( 2 v \right)$$$ 改寫被積函數:

$$4 {\color{red}{\int{\sin^{2}{\left(v \right)} \cos^{2}{\left(v \right)} d v}}} = 4 {\color{red}{\int{\frac{\sin^{2}{\left(2 v \right)}}{4} d v}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$，使用 $$$c=\frac{1}{4}$$$ 與 $$$f{\left(v \right)} = \sin^{2}{\left(2 v \right)}$$$：

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

套用降冪公式 $$$\sin^{2}{\left(\alpha \right)} = \frac{1}{2} - \frac{\cos{\left(2 \alpha \right)}}{2}$$$，令 $$$\alpha=2 v $$$:

$${\color{red}{\int{\sin^{2}{\left(2 v \right)} d v}}} = {\color{red}{\int{\left(\frac{1}{2} - \frac{\cos{\left(4 v \right)}}{2}\right)d v}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(v \right)}\, dv = c \int f{\left(v \right)}\, dv$$$，使用 $$$c=\frac{1}{2}$$$ 與 $$$f{\left(v \right)} = 1 - \cos{\left(4 v \right)}$$$：

$${\color{red}{\int{\left(\frac{1}{2} - \frac{\cos{\left(4 v \right)}}{2}\right)d v}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\left(1 - \cos{\left(4 v \right)}\right)d v}}{2}\right)}}$$

逐項積分：

$$\frac{{\color{red}{\int{\left(1 - \cos{\left(4 v \right)}\right)d v}}}}{2} = \frac{{\color{red}{\left(\int{1 d v} - \int{\cos{\left(4 v \right)} d v}\right)}}}{2}$$

配合 $$$c=1$$$，應用常數法則 $$$\int c\, dv = c v$$$：

$$- \frac{\int{\cos{\left(4 v \right)} d v}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{1 d v}}}}{2} = - \frac{\int{\cos{\left(4 v \right)} d v}}{2} + \frac{{\color{red}{v}}}{2}$$

令 $$$w=4 v$$$。

則 $$$dw=\left(4 v\right)^{\prime }dv = 4 dv$$$ (步驟見»)，並可得 $$$dv = \frac{dw}{4}$$$。

因此，

$$\frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(4 v \right)} d v}}}}{2} = \frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(w \right)}}{4} d w}}}}{2}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(w \right)}\, dw = c \int f{\left(w \right)}\, dw$$$，使用 $$$c=\frac{1}{4}$$$ 與 $$$f{\left(w \right)} = \cos{\left(w \right)}$$$：

$$\frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{\cos{\left(w \right)}}{4} d w}}}}{2} = \frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\left(\frac{\int{\cos{\left(w \right)} d w}}{4}\right)}}}{2}$$

餘弦函數的積分為 $$$\int{\cos{\left(w \right)} d w} = \sin{\left(w \right)}$$$：

$$\frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\int{\cos{\left(w \right)} d w}}}}{8} = \frac{v}{2} - \frac{{\color{red}{\sin{\left(w \right)}}}}{8}$$

回顧一下 $$$w=4 v$$$：

$$\frac{v}{2} - \frac{\sin{\left({\color{red}{w}} \right)}}{8} = \frac{v}{2} - \frac{\sin{\left({\color{red}{\left(4 v\right)}} \right)}}{8}$$

回顧一下 $$$v=\operatorname{asin}{\left(u \right)}$$$：

$$- \frac{\sin{\left(4 {\color{red}{v}} \right)}}{8} + \frac{{\color{red}{v}}}{2} = - \frac{\sin{\left(4 {\color{red}{\operatorname{asin}{\left(u \right)}}} \right)}}{8} + \frac{{\color{red}{\operatorname{asin}{\left(u \right)}}}}{2}$$

回顧一下 $$$u=\sqrt[4]{x}$$$：

$$- \frac{\sin{\left(4 \operatorname{asin}{\left({\color{red}{u}} \right)} \right)}}{8} + \frac{\operatorname{asin}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2} = - \frac{\sin{\left(4 \operatorname{asin}{\left({\color{red}{\sqrt[4]{x}}} \right)} \right)}}{8} + \frac{\operatorname{asin}{\left({\color{red}{\sqrt[4]{x}}} \right)}}{2}$$

因此，

$$\int{\frac{\sqrt{1 - \sqrt{x}}}{\sqrt[4]{x}} d x} = - \frac{\sin{\left(4 \operatorname{asin}{\left(\sqrt[4]{x} \right)} \right)}}{8} + \frac{\operatorname{asin}{\left(\sqrt[4]{x} \right)}}{2}$$

化簡：

$$\int{\frac{\sqrt{1 - \sqrt{x}}}{\sqrt[4]{x}} d x} = \sqrt[4]{x} \sqrt{1 - \sqrt{x}} \left(\sqrt{x} - \frac{1}{2}\right) + \frac{\operatorname{asin}{\left(\sqrt[4]{x} \right)}}{2}$$

加上積分常數：

$$\int{\frac{\sqrt{1 - \sqrt{x}}}{\sqrt[4]{x}} d x} = \sqrt[4]{x} \sqrt{1 - \sqrt{x}} \left(\sqrt{x} - \frac{1}{2}\right) + \frac{\operatorname{asin}{\left(\sqrt[4]{x} \right)}}{2}+C$$

$$$\int \sqrt{\frac{1 - \sqrt{x}}{\sqrt{x}}}\, dx = \left(\sqrt[4]{x} \sqrt{1 - \sqrt{x}} \left(\sqrt{x} - \frac{1}{2}\right) + \frac{\operatorname{asin}{\left(\sqrt[4]{x} \right)}}{2}\right) + C$$$A