для меня такие варианты решения не являются очевидными
Надо читать теорию, это основы, это не я придумал, а Эйлер с Лагранжем.
Собственно именно так и выводится это самое уравнение Эйлера - с занесением

под дифференциал.
Я специально написал в разложение в общем виде, чтобы вам это показать. Вы же знаете что для "обычной" функции

достигается экстремум при

- здесь ровно то же самое. Необходимое условие экстремума - линейная часть

по

должна быть равна нулю, а

, отсюда и выводят уравнение Эйлера.
остается одно слагаемое (4)

, которое, по вашей формуле, и является

Всё правильно. Такой интеграл вы же можете оценить, верно? Про о-малое забудьте, просто оцените знак интеграла.
Если вы до конца осознали пример, то теперь всегда сможете применять этот хинт - сразу выбрасывать все линейные слагаемые из

.