$$$\frac{1}{- k^{2} + r^{2}}$$$ 對 $$$k$$$ 的積分
您的輸入
求$$$\int \frac{1}{- k^{2} + r^{2}}\, dk$$$。
解答
進行部分分式分解:
$${\color{red}{\int{\frac{1}{- k^{2} + r^{2}} d k}}} = {\color{red}{\int{\left(\frac{1}{2 r \left(k + r\right)} + \frac{1}{2 r \left(- k + r\right)}\right)d k}}}$$
逐項積分：
$${\color{red}{\int{\left(\frac{1}{2 r \left(k + r\right)} + \frac{1}{2 r \left(- k + r\right)}\right)d k}}} = {\color{red}{\left(\int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \int{\frac{1}{2 r \left(k + r\right)} d k}\right)}}$$
套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(k \right)}\, dk = c \int f{\left(k \right)}\, dk$$$，使用 $$$c=\frac{1}{2 r}$$$ 與 $$$f{\left(k \right)} = \frac{1}{k + r}$$$：
$$\int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + {\color{red}{\int{\frac{1}{2 r \left(k + r\right)} d k}}} = \int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{k + r} d k}}{2 r}\right)}}$$
令 $$$u=k + r$$$。
則 $$$du=\left(k + r\right)^{\prime }dk = 1 dk$$$ (步驟見»)，並可得 $$$dk = du$$$。
因此，
$$\int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{k + r} d k}}}}{2 r} = \int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2 r}$$
$$$\frac{1}{u}$$$ 的積分是 $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$：
$$\int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2 r} = \int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2 r}$$
回顧一下 $$$u=k + r$$$：
$$\int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2 r} = \int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k} + \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(k + r\right)}}}\right| \right)}}{2 r}$$
套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(k \right)}\, dk = c \int f{\left(k \right)}\, dk$$$，使用 $$$c=\frac{1}{2 r}$$$ 與 $$$f{\left(k \right)} = \frac{1}{- k + r}$$$：
$${\color{red}{\int{\frac{1}{2 r \left(- k + r\right)} d k}}} + \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\frac{1}{- k + r} d k}}{2 r}\right)}} + \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r}$$
令 $$$u=- k + r$$$。
則 $$$du=\left(- k + r\right)^{\prime }dk = - dk$$$ (步驟見»)，並可得 $$$dk = - du$$$。
該積分變為
$$\frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} + \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{- k + r} d k}}}}{2 r} = \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{u}\right)d u}}}}{2 r}$$
套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=-1$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u}$$$：
$$\frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{1}{u}\right)d u}}}}{2 r} = \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} + \frac{{\color{red}{\left(- \int{\frac{1}{u} d u}\right)}}}{2 r}$$
$$$\frac{1}{u}$$$ 的積分是 $$$\int{\frac{1}{u} d u} = \ln{\left(\left|{u}\right| \right)}$$$：
$$\frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{u} d u}}}}{2 r} = \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} - \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{u}\right| \right)}}}}{2 r}$$
回顧一下 $$$u=- k + r$$$：
$$\frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{u}}}\right| \right)}}{2 r} = \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(- k + r\right)}}}\right| \right)}}{2 r}$$
因此，
$$\int{\frac{1}{- k^{2} + r^{2}} d k} = - \frac{\ln{\left(\left|{k - r}\right| \right)}}{2 r} + \frac{\ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r}$$
化簡：
$$\int{\frac{1}{- k^{2} + r^{2}} d k} = \frac{- \ln{\left(\left|{k - r}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r}$$
加上積分常數：
$$\int{\frac{1}{- k^{2} + r^{2}} d k} = \frac{- \ln{\left(\left|{k - r}\right| \right)} + \ln{\left(\left|{k + r}\right| \right)}}{2 r}+C$$
答案
$$$\int \frac{1}{- k^{2} + r^{2}}\, dk = \frac{- \ln\left(\left|{k - r}\right|\right) + \ln\left(\left|{k + r}\right|\right)}{2 r} + C$$$A