$$$\operatorname{atan}{\left(4 x \right)}$$$ 的積分

求$$$\int \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\, dx$$$。

令 $$$u=4 x$$$。

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

該積分可改寫為

$${\color{red}{\int{\operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(u \right)}}{4} d u}}}$$

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=\frac{1}{4}$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = \operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$：

$${\color{red}{\int{\frac{\operatorname{atan}{\left(u \right)}}{4} d u}}} = {\color{red}{\left(\frac{\int{\operatorname{atan}{\left(u \right)} d u}}{4}\right)}}$$

對於積分 $$$\int{\operatorname{atan}{\left(u \right)} d u}$$$，使用分部積分法 $$$\int \operatorname{m} \operatorname{dv} = \operatorname{m}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{dm}$$$。

令 $$$\operatorname{m}=\operatorname{atan}{\left(u \right)}$$$ 與 $$$\operatorname{dv}=du$$$。

則 $$$\operatorname{dm}=\left(\operatorname{atan}{\left(u \right)}\right)^{\prime }du=\frac{du}{u^{2} + 1}$$$（步驟見 »），且 $$$\operatorname{v}=\int{1 d u}=u$$$（步驟見 »）。

所以，

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

令 $$$v=u^{2} + 1$$$。

則 $$$dv=\left(u^{2} + 1\right)^{\prime }du = 2 u du$$$ (步驟見»)，並可得 $$$u du = \frac{dv}{2}$$$。

該積分變為

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

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 $$$f{\left(v \right)} = \frac{1}{v}$$$：

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

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

$$\frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{4} - \frac{{\color{red}{\int{\frac{1}{v} d v}}}}{8} = \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{4} - \frac{{\color{red}{\ln{\left(\left|{v}\right| \right)}}}}{8}$$

回顧一下 $$$v=u^{2} + 1$$$：

$$\frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{4} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{v}}}\right| \right)}}{8} = \frac{u \operatorname{atan}{\left(u \right)}}{4} - \frac{\ln{\left(\left|{{\color{red}{\left(u^{2} + 1\right)}}}\right| \right)}}{8}$$

回顧一下 $$$u=4 x$$$：

$$- \frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{u}}^{2} \right)}}{8} + \frac{{\color{red}{u}} \operatorname{atan}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{4} = - \frac{\ln{\left(1 + {\color{red}{\left(4 x\right)}}^{2} \right)}}{8} + \frac{{\color{red}{\left(4 x\right)}} \operatorname{atan}{\left({\color{red}{\left(4 x\right)}} \right)}}{4}$$

因此，

$$\int{\operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = x \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} - \frac{\ln{\left(16 x^{2} + 1 \right)}}{8}$$

加上積分常數：

$$\int{\operatorname{atan}{\left(4 x \right)} d x} = x \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} - \frac{\ln{\left(16 x^{2} + 1 \right)}}{8}+C$$

$$$\int \operatorname{atan}{\left(4 x \right)}\, dx = \left(x \operatorname{atan}{\left(4 x \right)} - \frac{\ln\left(16 x^{2} + 1\right)}{8}\right) + C$$$A