与えられた積分問題を解きます。問題は以下の通りです。 (1) $\int \frac{1}{(x+1)(2x+1)} dx$ (2) $\int \frac{x^2}{x^2-1} dx$ (3) $\int \frac{3x+2}{x^2(x+1)} dx$ (4) $\int \frac{1}{(x+1)^2(x+2)} dx$ (5) $\int \frac{x+5}{x(x^2+4x+5)} dx$ (6) $\int \frac{1}{x^3+1} dx$ (7) $\int \frac{x^4}{(x^2+2)^2} dx$ (8) $\int \frac{1}{(x-1)(x-2)(x-3)} dx$

解析学積分部分分数分解有理関数の積分
2025/6/29

1. 問題の内容

与えられた積分問題を解きます。問題は以下の通りです。
(1) 1(x+1)(2x+1)dx\int \frac{1}{(x+1)(2x+1)} dx
(2) x2x21dx\int \frac{x^2}{x^2-1} dx
(3) 3x+2x2(x+1)dx\int \frac{3x+2}{x^2(x+1)} dx
(4) 1(x+1)2(x+2)dx\int \frac{1}{(x+1)^2(x+2)} dx
(5) x+5x(x2+4x+5)dx\int \frac{x+5}{x(x^2+4x+5)} dx
(6) 1x3+1dx\int \frac{1}{x^3+1} dx
(7) x4(x2+2)2dx\int \frac{x^4}{(x^2+2)^2} dx
(8) 1(x1)(x2)(x3)dx\int \frac{1}{(x-1)(x-2)(x-3)} dx

2. 解き方の手順

(1) 1(x+1)(2x+1)dx\int \frac{1}{(x+1)(2x+1)} dx
部分分数分解を行います。
1(x+1)(2x+1)=Ax+1+B2x+1\frac{1}{(x+1)(2x+1)} = \frac{A}{x+1} + \frac{B}{2x+1}
1=A(2x+1)+B(x+1)1 = A(2x+1) + B(x+1)
x=1x = -1 のとき 1=A(2+1)A=11 = A(-2+1) \Rightarrow A = -1
x=12x = -\frac{1}{2} のとき 1=B(12+1)1=12BB=21 = B(-\frac{1}{2} + 1) \Rightarrow 1 = \frac{1}{2}B \Rightarrow B = 2
(1x+1+22x+1)dx=lnx+1+ln2x+1+C\int (\frac{-1}{x+1} + \frac{2}{2x+1}) dx = -\ln|x+1| + \ln|2x+1| + C
(2) x2x21dx\int \frac{x^2}{x^2-1} dx
x2x21=x21+1x21=1+1x21=1+1(x1)(x+1)\frac{x^2}{x^2-1} = \frac{x^2-1+1}{x^2-1} = 1 + \frac{1}{x^2-1} = 1 + \frac{1}{(x-1)(x+1)}
部分分数分解: 1(x1)(x+1)=Ax1+Bx+1\frac{1}{(x-1)(x+1)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x+1}
1=A(x+1)+B(x1)1 = A(x+1) + B(x-1)
x=1x = 1 のとき 1=2AA=121 = 2A \Rightarrow A = \frac{1}{2}
x=1x = -1 のとき 1=2BB=121 = -2B \Rightarrow B = -\frac{1}{2}
(1+1/2x11/2x+1)dx=x+12lnx112lnx+1+C=x+12lnx1x+1+C\int (1 + \frac{1/2}{x-1} - \frac{1/2}{x+1}) dx = x + \frac{1}{2}\ln|x-1| - \frac{1}{2}\ln|x+1| + C = x + \frac{1}{2}\ln|\frac{x-1}{x+1}| + C
(3) 3x+2x2(x+1)dx\int \frac{3x+2}{x^2(x+1)} dx
部分分数分解: 3x+2x2(x+1)=Ax+Bx2+Cx+1\frac{3x+2}{x^2(x+1)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x^2} + \frac{C}{x+1}
3x+2=Ax(x+1)+B(x+1)+Cx23x+2 = Ax(x+1) + B(x+1) + Cx^2
3x+2=Ax2+Ax+Bx+B+Cx23x+2 = Ax^2 + Ax + Bx + B + Cx^2
3x+2=(A+C)x2+(A+B)x+B3x+2 = (A+C)x^2 + (A+B)x + B
B=2,A+B=3A=1,A+C=0C=1B = 2, A+B = 3 \Rightarrow A = 1, A+C = 0 \Rightarrow C = -1
(1x+2x21x+1)dx=lnx2xlnx+1+C=lnxx+12x+C\int (\frac{1}{x} + \frac{2}{x^2} - \frac{1}{x+1}) dx = \ln|x| - \frac{2}{x} - \ln|x+1| + C = \ln|\frac{x}{x+1}| - \frac{2}{x} + C
(4) 1(x+1)2(x+2)dx\int \frac{1}{(x+1)^2(x+2)} dx
部分分数分解: 1(x+1)2(x+2)=Ax+1+B(x+1)2+Cx+2\frac{1}{(x+1)^2(x+2)} = \frac{A}{x+1} + \frac{B}{(x+1)^2} + \frac{C}{x+2}
1=A(x+1)(x+2)+B(x+2)+C(x+1)21 = A(x+1)(x+2) + B(x+2) + C(x+1)^2
x=1x = -1 のとき 1=B(1)B=11 = B(1) \Rightarrow B = 1
x=2x = -2 のとき 1=C(1)2C=11 = C(-1)^2 \Rightarrow C = 1
1=A(x2+3x+2)+(x+2)+(x2+2x+1)1 = A(x^2+3x+2) + (x+2) + (x^2+2x+1)
1=Ax2+3Ax+2A+x+2+x2+2x+11 = Ax^2 + 3Ax + 2A + x + 2 + x^2 + 2x + 1
1=(A+1)x2+(3A+3)x+(2A+3)1 = (A+1)x^2 + (3A+3)x + (2A+3)
A+1=0A=1A+1 = 0 \Rightarrow A = -1
3A+3=0A=13A+3 = 0 \Rightarrow A = -1
2A+3=12A=2A=12A+3 = 1 \Rightarrow 2A = -2 \Rightarrow A = -1
(1x+1+1(x+1)2+1x+2)dx=lnx+11x+1+lnx+2+C=lnx+2x+11x+1+C\int (\frac{-1}{x+1} + \frac{1}{(x+1)^2} + \frac{1}{x+2}) dx = -\ln|x+1| - \frac{1}{x+1} + \ln|x+2| + C = \ln|\frac{x+2}{x+1}| - \frac{1}{x+1} + C
(5) x+5x(x2+4x+5)dx\int \frac{x+5}{x(x^2+4x+5)} dx
部分分数分解: x+5x(x2+4x+5)=Ax+Bx+Cx2+4x+5\frac{x+5}{x(x^2+4x+5)} = \frac{A}{x} + \frac{Bx+C}{x^2+4x+5}
x+5=A(x2+4x+5)+(Bx+C)xx+5 = A(x^2+4x+5) + (Bx+C)x
x+5=Ax2+4Ax+5A+Bx2+Cxx+5 = Ax^2 + 4Ax + 5A + Bx^2 + Cx
x+5=(A+B)x2+(4A+C)x+5Ax+5 = (A+B)x^2 + (4A+C)x + 5A
5A=5A=15A = 5 \Rightarrow A = 1
4A+C=14+C=1C=34A+C = 1 \Rightarrow 4+C = 1 \Rightarrow C = -3
A+B=0B=1A+B = 0 \Rightarrow B = -1
(1x+x3x2+4x+5)dx=(1xx+3x2+4x+5)dx\int (\frac{1}{x} + \frac{-x-3}{x^2+4x+5}) dx = \int (\frac{1}{x} - \frac{x+3}{x^2+4x+5}) dx
x+3x2+4x+5dx=122x+6x2+4x+5dx=122x+4+2x2+4x+5dx=122x+4x2+4x+5dx+1x2+4x+5dx\int \frac{x+3}{x^2+4x+5} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x+6}{x^2+4x+5} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x+4+2}{x^2+4x+5} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x+4}{x^2+4x+5} dx + \int \frac{1}{x^2+4x+5} dx
=12lnx2+4x+5+1(x+2)2+1dx=12lnx2+4x+5+arctan(x+2)+C= \frac{1}{2} \ln|x^2+4x+5| + \int \frac{1}{(x+2)^2+1} dx = \frac{1}{2} \ln|x^2+4x+5| + \arctan(x+2) + C
(1xx+3x2+4x+5)dx=lnx12lnx2+4x+5arctan(x+2)+C\int (\frac{1}{x} - \frac{x+3}{x^2+4x+5}) dx = \ln|x| - \frac{1}{2} \ln|x^2+4x+5| - \arctan(x+2) + C
(6) 1x3+1dx=1(x+1)(x2x+1)dx\int \frac{1}{x^3+1} dx = \int \frac{1}{(x+1)(x^2-x+1)} dx
部分分数分解: 1(x+1)(x2x+1)=Ax+1+Bx+Cx2x+1\frac{1}{(x+1)(x^2-x+1)} = \frac{A}{x+1} + \frac{Bx+C}{x^2-x+1}
1=A(x2x+1)+(Bx+C)(x+1)1 = A(x^2-x+1) + (Bx+C)(x+1)
1=Ax2Ax+A+Bx2+Bx+Cx+C1 = Ax^2 - Ax + A + Bx^2 + Bx + Cx + C
1=(A+B)x2+(A+B+C)x+(A+C)1 = (A+B)x^2 + (-A+B+C)x + (A+C)
A+B=0,A+B+C=0,A+C=1A+B = 0, -A+B+C = 0, A+C = 1
B=A,AA+C=0,A+C=1B = -A, -A-A+C = 0, A+C = 1
2A+C=0,A+C=1-2A+C = 0, A+C = 1
3A=1A=133A = 1 \Rightarrow A = \frac{1}{3}
B=13,C=23B = -\frac{1}{3}, C = \frac{2}{3}
(1/3x+1+x/3+2/3x2x+1)dx=131x+1dx13x2x2x+1dx\int (\frac{1/3}{x+1} + \frac{-x/3+2/3}{x^2-x+1}) dx = \frac{1}{3} \int \frac{1}{x+1} dx - \frac{1}{3} \int \frac{x-2}{x^2-x+1} dx
=13lnx+113x2x2x+1dx= \frac{1}{3} \ln|x+1| - \frac{1}{3} \int \frac{x-2}{x^2-x+1} dx
x2x2x+1dx=122x4x2x+1dx=122x13x2x+1dx=122x1x2x+1dx321x2x+1dx\int \frac{x-2}{x^2-x+1} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x-4}{x^2-x+1} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x-1-3}{x^2-x+1} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x-1}{x^2-x+1} dx - \frac{3}{2} \int \frac{1}{x^2-x+1} dx
=12lnx2x+1321(x12)2+34dx=12lnx2x+13223arctan(x1/23/2)+C= \frac{1}{2} \ln|x^2-x+1| - \frac{3}{2} \int \frac{1}{(x-\frac{1}{2})^2+\frac{3}{4}} dx = \frac{1}{2} \ln|x^2-x+1| - \frac{3}{2} \cdot \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan(\frac{x-1/2}{\sqrt{3}/2}) + C
=12lnx2x+13arctan(2x13)+C= \frac{1}{2} \ln|x^2-x+1| - \sqrt{3} \arctan(\frac{2x-1}{\sqrt{3}}) + C
13lnx+113(12lnx2x+13arctan(2x13))+C=13lnx+116lnx2x+1+33arctan(2x13)+C\frac{1}{3} \ln|x+1| - \frac{1}{3}(\frac{1}{2} \ln|x^2-x+1| - \sqrt{3} \arctan(\frac{2x-1}{\sqrt{3}})) + C = \frac{1}{3}\ln|x+1| - \frac{1}{6}\ln|x^2-x+1| + \frac{\sqrt{3}}{3}\arctan(\frac{2x-1}{\sqrt{3}}) + C
(7) x4(x2+2)2dx\int \frac{x^4}{(x^2+2)^2} dx
x4(x2+2)2=x4+4x2+44x24+4(x2+2)2=14x2+4(x2+2)2=14(x2+2)4(x2+2)2=14x2+2+4(x2+2)2\frac{x^4}{(x^2+2)^2} = \frac{x^4+4x^2+4 -4x^2 -4 +4}{(x^2+2)^2} = 1 - \frac{4x^2+4}{(x^2+2)^2}= 1 - \frac{4(x^2+2)-4}{(x^2+2)^2}=1-\frac{4}{x^2+2}+\frac{4}{(x^2+2)^2}
x4(x2+2)2dx=14x2+2+4(x2+2)2dx=x42arctan(x2)+4(x2+2)2dx=x22arctan(x2)+4(x2+2)2dx \int \frac{x^4}{(x^2+2)^2} dx = \int 1 - \frac{4}{x^2+2}+\frac{4}{(x^2+2)^2} dx = x - \frac{4}{\sqrt{2}}\arctan(\frac{x}{\sqrt{2}})+\int \frac{4}{(x^2+2)^2} dx = x - 2\sqrt{2}\arctan(\frac{x}{\sqrt{2}})+\int \frac{4}{(x^2+2)^2} dx
(8) 1(x1)(x2)(x3)dx\int \frac{1}{(x-1)(x-2)(x-3)} dx
1(x1)(x2)(x3)=Ax1+Bx2+Cx3\frac{1}{(x-1)(x-2)(x-3)} = \frac{A}{x-1}+\frac{B}{x-2}+\frac{C}{x-3}
1=A(x2)(x3)+B(x1)(x3)+C(x1)(x2)1 = A(x-2)(x-3)+B(x-1)(x-3)+C(x-1)(x-2)
x=11=A(1)(2)A=12x=1 \Rightarrow 1 = A(-1)(-2) \Rightarrow A = \frac{1}{2}
x=21=B(1)(1)B=1x=2 \Rightarrow 1 = B(1)(-1) \Rightarrow B = -1
x=31=C(2)(1)C=12x=3 \Rightarrow 1 = C(2)(1) \Rightarrow C = \frac{1}{2}
1(x1)(x2)(x3)dx=1/2x1+1x2+1/2x3dx=12lnx1lnx2+12lnx3+C=12ln(x1)(x3)(x2)2+C \int \frac{1}{(x-1)(x-2)(x-3)} dx = \int \frac{1/2}{x-1}+\frac{-1}{x-2}+\frac{1/2}{x-3} dx = \frac{1}{2}ln|x-1|-ln|x-2|+\frac{1}{2}ln|x-3| +C = \frac{1}{2}ln|\frac{(x-1)(x-3)}{(x-2)^2}| + C

3. 最終的な答え

(1) lnx+1+ln2x+1+C-\ln|x+1| + \ln|2x+1| + C
(2) x+12lnx1x+1+Cx + \frac{1}{2}\ln|\frac{x-1}{x+1}| + C
(3) lnxx+12x+C\ln|\frac{x}{x+1}| - \frac{2}{x} + C
(4) lnx+2x+11x+1+C\ln|\frac{x+2}{x+1}| - \frac{1}{x+1} + C
(5) lnx12lnx2+4x+5arctan(x+2)+C\ln|x| - \frac{1}{2} \ln|x^2+4x+5| - \arctan(x+2) + C
(6) 13lnx+116lnx2x+1+33arctan(2x13)+C\frac{1}{3}\ln|x+1| - \frac{1}{6}\ln|x^2-x+1| + \frac{\sqrt{3}}{3}\arctan(\frac{2x-1}{\sqrt{3}}) + C
(7) x22arctan(x2)+4(x2+2)2dxx - 2\sqrt{2}\arctan(\frac{x}{\sqrt{2}})+\int \frac{4}{(x^2+2)^2} dx
(8) 12ln(x1)(x3)(x2)2+C\frac{1}{2}ln|\frac{(x-1)(x-3)}{(x-2)^2}| + C

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