与えられた8つの積分問題を解きます。それぞれの積分は以下の通りです。 (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) $\int \frac{1}{(x+1)(x+2)} dx$ (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不定積分
2025/6/29

1. 問題の内容

与えられた8つの積分問題を解きます。それぞれの積分は以下の通りです。
(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)(x+2)dx\int \frac{1}{(x+1)(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} とおくと、1=A(2x+1)+B(x+1)1 = A(2x+1) + B(x+1) となります。
x=1x = -1 を代入すると、 1=A(1)A=11 = A(-1) \Rightarrow A = -1
x=12x = -\frac{1}{2} を代入すると、 1=B(12)B=21 = B(\frac{1}{2}) \Rightarrow B = 2
よって、1(x+1)(2x+1)dx=(1x+1+22x+1)dx=lnx+1+ln2x+1+C\int \frac{1}{(x+1)(2x+1)} dx = \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)}
1(x1)(x+1)=Ax1+Bx+1\frac{1}{(x-1)(x+1)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x+1} とおくと、1=A(x+1)+B(x1)1 = A(x+1) + B(x-1)
x=1x = 1 を代入すると、1=2AA=121 = 2A \Rightarrow A = \frac{1}{2}
x=1x = -1 を代入すると、1=2BB=121 = -2B \Rightarrow B = -\frac{1}{2}
x2x21dx=(1+1/2x11/2x+1)dx=x+12lnx112lnx+1+C=x+12lnx1x+1+C\int \frac{x^2}{x^2-1} dx = \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
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} とおくと、3x+2=Ax(x+1)+B(x+1)+Cx23x+2 = Ax(x+1) + B(x+1) + Cx^2
x=0x=0 を代入すると、2=B2 = B
x=1x=-1 を代入すると、1=C-1 = C
x=1x=1 を代入すると、5=2A+4+(1)2A=2A=15 = 2A + 4 + (-1) \Rightarrow 2A = 2 \Rightarrow A = 1
3x+2x2(x+1)dx=(1x+2x21x+1)dx=lnx2xlnx+1+C=lnxx+12x+C\int \frac{3x+2}{x^2(x+1)} dx = \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)(x+2)dx\int \frac{1}{(x+1)(x+2)} dx
1(x+1)(x+2)=Ax+1+Bx+2\frac{1}{(x+1)(x+2)} = \frac{A}{x+1} + \frac{B}{x+2} とおくと、1=A(x+2)+B(x+1)1 = A(x+2) + B(x+1)
x=1x = -1 を代入すると、1=AA=11 = A \Rightarrow A = 1
x=2x = -2 を代入すると、1=BB=11 = -B \Rightarrow B = -1
1(x+1)(x+2)dx=(1x+11x+2)dx=lnx+1lnx+2+C=lnx+1x+2+C\int \frac{1}{(x+1)(x+2)} dx = \int (\frac{1}{x+1} - \frac{1}{x+2}) dx = \ln|x+1| - \ln|x+2| + C = \ln|\frac{x+1}{x+2}| + C
(5) x+5x(x2+4x+5)dx\int \frac{x+5}{x(x^2+4x+5)} dx
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} とおくと、x+5=A(x2+4x+5)+(Bx+C)xx+5 = A(x^2+4x+5) + (Bx+C)x
x=0x=0 を代入すると、5=5AA=15 = 5A \Rightarrow A=1
x+5=x2+4x+5+Bx2+Cxx+5=(1+B)x2+(4+C)x+5x+5 = x^2+4x+5 + Bx^2+Cx \Rightarrow x+5 = (1+B)x^2+(4+C)x+5
1+B=0B=11+B = 0 \Rightarrow B = -1
4+C=1C=34+C = 1 \Rightarrow C = -3
x+5x(x2+4x+5)dx=(1xx+3x2+4x+5)dx=(1xx+2x2+4x+51x2+4x+5)dx\int \frac{x+5}{x(x^2+4x+5)} dx = \int (\frac{1}{x} - \frac{x+3}{x^2+4x+5}) dx = \int (\frac{1}{x} - \frac{x+2}{x^2+4x+5} - \frac{1}{x^2+4x+5}) dx
x2+4x+5=(x+2)2+1x^2+4x+5 = (x+2)^2+1 なので、
(1xx+2(x+2)2+11(x+2)2+1)dx=lnx12ln(x2+4x+5)arctan(x+2)+C\int (\frac{1}{x} - \frac{x+2}{(x+2)^2+1} - \frac{1}{(x+2)^2+1}) dx = \ln|x| - \frac{1}{2}\ln(x^2+4x+5) - \arctan(x+2) + C
(6) 1x3+1dx\int \frac{1}{x^3+1} dx
1x3+1=1(x+1)(x2x+1)=Ax+1+Bx+Cx2x+1\frac{1}{x^3+1} = \frac{1}{(x+1)(x^2-x+1)} = \frac{A}{x+1} + \frac{Bx+C}{x^2-x+1} とおくと、1=A(x2x+1)+(Bx+C)(x+1)1 = A(x^2-x+1) + (Bx+C)(x+1)
x=1x = -1 を代入すると、1=3AA=131 = 3A \Rightarrow A = \frac{1}{3}
1=13(x2x+1)+Bx2+(B+C)x+C1 = \frac{1}{3}(x^2-x+1) + Bx^2 + (B+C)x + C
1=13x213x+13+Bx2+(B+C)x+C1 = \frac{1}{3}x^2 - \frac{1}{3}x + \frac{1}{3} + Bx^2 + (B+C)x + C
13+C=1C=23\frac{1}{3}+C = 1 \Rightarrow C = \frac{2}{3}
13+B=0B=13\frac{1}{3}+B = 0 \Rightarrow B = -\frac{1}{3}
13+B+C=01313+23=0-\frac{1}{3}+B+C = 0 \Rightarrow -\frac{1}{3}-\frac{1}{3}+\frac{2}{3} = 0
1x3+1dx=(1/3x+1x/32/3x2x+1)dx=13lnx+1162x4x2x+1dx\int \frac{1}{x^3+1} dx = \int (\frac{1/3}{x+1} - \frac{x/3 - 2/3}{x^2-x+1}) dx = \frac{1}{3}\ln|x+1| - \frac{1}{6} \int \frac{2x-4}{x^2-x+1} dx
2x4x2x+1dx=2x1x2x+1dx31x2x+1dx=ln(x2x+1)31(x12)2+34dx\int \frac{2x-4}{x^2-x+1} dx = \int \frac{2x-1}{x^2-x+1} dx - 3 \int \frac{1}{x^2-x+1} dx = \ln(x^2-x+1) - 3 \int \frac{1}{(x-\frac{1}{2})^2+\frac{3}{4}} dx
1(x12)2+34dx=23arctan2x13\int \frac{1}{(x-\frac{1}{2})^2+\frac{3}{4}} dx = \frac{2}{\sqrt{3}}\arctan{\frac{2x-1}{\sqrt{3}}}
1x3+1dx=13lnx+116ln(x2x+1)+13arctan2x13+C\int \frac{1}{x^3+1} dx = \frac{1}{3}\ln|x+1| - \frac{1}{6} \ln(x^2-x+1) + \frac{1}{\sqrt{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+4)4x24(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}{(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}
1x2+2dx=12arctan(x2)\int \frac{1}{x^2+2} dx = \frac{1}{\sqrt{2}}\arctan(\frac{x}{\sqrt{2}})
1(x2+2)2dx=x4(x2+2)+142arctanx2\int \frac{1}{(x^2+2)^2} dx = \frac{x}{4(x^2+2)}+\frac{1}{4\sqrt{2}}\arctan\frac{x}{\sqrt{2}}
x4(x2+2)2dx=(14x2+2+4(x2+2)2)dx=x42arctan(x2)+4(x4(x2+2)+142arctanx2)+C=x32arctanx2+xx2+2+C\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}})+4(\frac{x}{4(x^2+2)}+\frac{1}{4\sqrt{2}}\arctan\frac{x}{\sqrt{2}}) + C = x-\frac{3}{\sqrt{2}}\arctan\frac{x}{\sqrt{2}}+\frac{x}{x^2+2} + C
(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} とおくと、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=1x = 1 を代入すると、1=A(1)(2)1=2AA=121 = A(-1)(-2) \Rightarrow 1 = 2A \Rightarrow A = \frac{1}{2}
x=2x = 2 を代入すると、1=B(1)(1)1=BB=11 = B(1)(-1) \Rightarrow 1 = -B \Rightarrow B = -1
x=3x = 3 を代入すると、1=C(2)(1)1=2CC=121 = C(2)(1) \Rightarrow 1 = 2C \Rightarrow C = \frac{1}{2}
1(x1)(x2)(x3)dx=(1/2x11x2+1/2x3)dx=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+1x+2+C\ln|\frac{x+1}{x+2}| + C
(5) lnx12ln(x2+4x+5)arctan(x+2)+C\ln|x| - \frac{1}{2}\ln(x^2+4x+5) - \arctan(x+2) + C
(6) 13lnx+116ln(x2x+1)+13arctan2x13+C\frac{1}{3}\ln|x+1| - \frac{1}{6} \ln(x^2-x+1) + \frac{1}{\sqrt{3}} \arctan{\frac{2x-1}{\sqrt{3}}} + C
(7) x32arctanx2+xx2+2+Cx-\frac{3}{\sqrt{2}}\arctan\frac{x}{\sqrt{2}}+\frac{x}{x^2+2} + C
(8) 12ln(x1)(x3)(x2)2+C\frac{1}{2}\ln|\frac{(x-1)(x-3)}{(x-2)^2}| + C

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