次の不定積分を求めます。 (1) $\int \frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} dx$ (2) $\int \frac{\sin x}{(1 + \sin x) (3 + \cos x)} dx$

解析学不定積分部分分数分解三角関数の積分置換積分
2025/6/30

1. 問題の内容

次の不定積分を求めます。
(1) 1+sinxsinx(1+cosx)dx\int \frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} dx
(2) sinx(1+sinx)(3+cosx)dx\int \frac{\sin x}{(1 + \sin x) (3 + \cos x)} dx

2. 解き方の手順

(1) 1+sinxsinx(1+cosx)dx\int \frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} dx
被積分関数を部分分数分解します。
1+sinxsinx(1+cosx)=Asinx+B1+cosx\frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} = \frac{A}{\sin x} + \frac{B}{1 + \cos x} とおくと、
1+sinx=A(1+cosx)+Bsinx1 + \sin x = A(1 + \cos x) + B \sin x
x=0x = 0 のとき、 1=2A1 = 2A より A=12A = \frac{1}{2}
x=π2x = \frac{\pi}{2} のとき、 2=A+B2 = A + B より B=2A=32B = 2 - A = \frac{3}{2}
したがって、
1+sinxsinx(1+cosx)=12sinx+32(1+cosx)\frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} = \frac{1}{2\sin x} + \frac{3}{2(1 + \cos x)}
1+sinxsinx(1+cosx)dx=12sinxdx+32(1+cosx)dx\int \frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} dx = \int \frac{1}{2\sin x} dx + \int \frac{3}{2(1 + \cos x)} dx
=12cscxdx+3211+cosxdx= \frac{1}{2} \int \csc x dx + \frac{3}{2} \int \frac{1}{1 + \cos x} dx
cscxdx=lncscx+cotx+C1\int \csc x dx = -\ln|\csc x + \cot x| + C_1
11+cosxdx=1cosx1cos2xdx=1cosxsin2xdx=csc2xdxcosxsin2xdx=cotx+cscx+C2\int \frac{1}{1 + \cos x} dx = \int \frac{1 - \cos x}{1 - \cos^2 x} dx = \int \frac{1 - \cos x}{\sin^2 x} dx = \int \csc^2 x dx - \int \frac{\cos x}{\sin^2 x} dx = -\cot x + \csc x + C_2
したがって、
1+sinxsinx(1+cosx)dx=12lncscx+cotx+32(cotx+cscx)+C\int \frac{1 + \sin x}{\sin x (1 + \cos x)} dx = -\frac{1}{2}\ln|\csc x + \cot x| + \frac{3}{2}(-\cot x + \csc x) + C
=12lncscx+cotx32cotx+32cscx+C= -\frac{1}{2}\ln|\csc x + \cot x| - \frac{3}{2}\cot x + \frac{3}{2}\csc x + C
(2) sinx(1+sinx)(3+cosx)dx\int \frac{\sin x}{(1 + \sin x) (3 + \cos x)} dx
t=cosxt = \cos x とおくと、 dt=sinxdxdt = -\sin x dx より、 sinxdx=dt\sin x dx = -dt
sin2x+cos2x=1\sin^2 x + \cos^2 x = 1 より、 sinx=1cos2x=1t2\sin x = \sqrt{1 - \cos^2 x} = \sqrt{1 - t^2}
sinx(1+sinx)(3+cosx)dx=dt(1+1t2)(3+t)\int \frac{\sin x}{(1 + \sin x) (3 + \cos x)} dx = \int \frac{-dt}{(1 + \sqrt{1 - t^2})(3 + t)}
この積分は複雑なので、別の方法を試みます。
t=tan(x2)t = \tan(\frac{x}{2}) とおくと、
sinx=2t1+t2\sin x = \frac{2t}{1+t^2}, cosx=1t21+t2\cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2}, dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1+t^2} dt
sinx(1+sinx)(3+cosx)dx=2t1+t2(1+2t1+t2)(3+1t21+t2)21+t2dt\int \frac{\sin x}{(1 + \sin x) (3 + \cos x)} dx = \int \frac{\frac{2t}{1+t^2}}{(1 + \frac{2t}{1+t^2})(3 + \frac{1-t^2}{1+t^2})} \frac{2}{1+t^2} dt
=4t(1+t2+2t)(3+3t2+1t2)dt=4t(1+t)2(4+2t2)dt=2t(1+t)2(2+t2)dt= \int \frac{4t}{(1+t^2+2t)(3+3t^2+1-t^2)} dt = \int \frac{4t}{(1+t)^2 (4+2t^2)} dt = \int \frac{2t}{(1+t)^2 (2+t^2)} dt
部分分数分解すると、2t(1+t)2(2+t2)=A1+t+B(1+t)2+Ct+D2+t2\frac{2t}{(1+t)^2 (2+t^2)} = \frac{A}{1+t} + \frac{B}{(1+t)^2} + \frac{Ct+D}{2+t^2}
2t=A(1+t)(2+t2)+B(2+t2)+(Ct+D)(1+t)22t = A(1+t)(2+t^2) + B(2+t^2) + (Ct+D)(1+t)^2
2t=A(2+t2+2t+t3)+B(2+t2)+(Ct+D)(1+2t+t2)2t = A(2+t^2+2t+t^3) + B(2+t^2) + (Ct+D)(1+2t+t^2)
2t=At3+(2A+C)t2+(2A+2C+D)t+(2A+2B+D)2t = At^3 + (2A+C)t^2 + (2A+2C+D)t + (2A+2B+D)
A=0,2A+C=0,2A+2C+D=2,2A+2B+D=0A=0, 2A+C=0, 2A+2C+D=2, 2A+2B+D=0
A=0,C=0,D=2,B=1A=0, C=0, D=2, B=-1
2t(1+t)2(2+t2)=1(1+t)2+22+t2\frac{2t}{(1+t)^2 (2+t^2)} = \frac{-1}{(1+t)^2} + \frac{2}{2+t^2}
2t(1+t)2(2+t2)dt=1(1+t)2dt+22+t2dt=11+t+22+t2dt\int \frac{2t}{(1+t)^2 (2+t^2)} dt = \int \frac{-1}{(1+t)^2} dt + \int \frac{2}{2+t^2} dt = \frac{1}{1+t} + \int \frac{2}{2+t^2} dt
22+t2dt=22(1+(t2)2)dt=11+(t2)2dt=2arctan(t2)+C2\int \frac{2}{2+t^2} dt = \int \frac{2}{2(1+(\frac{t}{\sqrt{2}})^2)} dt = \int \frac{1}{1+(\frac{t}{\sqrt{2}})^2} dt = \sqrt{2} \arctan(\frac{t}{\sqrt{2}}) + C_2
sinx(1+sinx)(3+cosx)dx=11+tan(x2)+2arctan(tan(x2)2)+C\int \frac{\sin x}{(1 + \sin x) (3 + \cos x)} dx = \frac{1}{1+\tan(\frac{x}{2})} + \sqrt{2}\arctan(\frac{\tan(\frac{x}{2})}{\sqrt{2}}) + C

3. 最終的な答え

(1) 12lncscx+cotx32cotx+32cscx+C-\frac{1}{2}\ln|\csc x + \cot x| - \frac{3}{2}\cot x + \frac{3}{2}\csc x + C
(2) 11+tan(x2)+2arctan(tan(x2)2)+C\frac{1}{1+\tan(\frac{x}{2})} + \sqrt{2}\arctan(\frac{\tan(\frac{x}{2})}{\sqrt{2}}) + C

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