次の不定積分を求めます。 (1) $\int (1 + \sin x)^3 \cos x dx$ (2) $\int \frac{(1 - \cos x) \sin x}{1 + \cos x} dx$ (3) $\int \frac{\sin 2x}{1 + \sin^2 x} dx$ (4) $\int \frac{\tan x}{1 + \cos x} dx$ (5) $\int \frac{\tan x}{1 + \tan x} dx$ (6) $\int (1 + \tan x)^3 dx$

解析学不定積分三角関数置換積分部分分数分解
2025/6/30

1. 問題の内容

次の不定積分を求めます。
(1) (1+sinx)3cosxdx\int (1 + \sin x)^3 \cos x dx
(2) (1cosx)sinx1+cosxdx\int \frac{(1 - \cos x) \sin x}{1 + \cos x} dx
(3) sin2x1+sin2xdx\int \frac{\sin 2x}{1 + \sin^2 x} dx
(4) tanx1+cosxdx\int \frac{\tan x}{1 + \cos x} dx
(5) tanx1+tanxdx\int \frac{\tan x}{1 + \tan x} dx
(6) (1+tanx)3dx\int (1 + \tan x)^3 dx

2. 解き方の手順

(1) t=1+sinxt = 1 + \sin x とおくと、dt=cosxdxdt = \cos x dx なので、
(1+sinx)3cosxdx=t3dt=14t4+C=14(1+sinx)4+C\int (1 + \sin x)^3 \cos x dx = \int t^3 dt = \frac{1}{4} t^4 + C = \frac{1}{4} (1 + \sin x)^4 + C
(2) (1cosx)sinx1+cosxdx=sinxcosxsinx1+cosxdx\int \frac{(1 - \cos x) \sin x}{1 + \cos x} dx = \int \frac{\sin x - \cos x \sin x}{1 + \cos x} dx
ここで、sinx=sinx(1+cosx)1+cosx=sinx+sinxcosx1+cosx\sin x = \frac{\sin x (1 + \cos x)}{1 + \cos x} = \frac{\sin x + \sin x \cos x}{1 + \cos x} より、
(1cosx)sinx1+cosxdx=2sinx(sinx+sinxcosx)1+cosxdx=2sinx1+cosxdxsinxdx\int \frac{(1 - \cos x) \sin x}{1 + \cos x} dx = \int \frac{2 \sin x - (\sin x + \sin x \cos x)}{1 + \cos x} dx = 2 \int \frac{\sin x}{1 + \cos x} dx - \int \sin x dx
t=1+cosxt = 1 + \cos x とおくと、dt=sinxdxdt = - \sin x dx なので、
2sinx1+cosxdx=2dtt=2logt+C1=2log1+cosx+C1=2log(1+cosx)+C12 \int \frac{\sin x}{1 + \cos x} dx = -2 \int \frac{dt}{t} = -2 \log |t| + C_1 = -2 \log |1 + \cos x| + C_1 = -2 \log (1 + \cos x) + C_1 (∵ 1+cosx>01 + \cos x > 0)
また、sinxdx=cosx+C2\int \sin x dx = - \cos x + C_2 なので、
(1cosx)sinx1+cosxdx=2log(1+cosx)(cosx)+C=cosx2log(1+cosx)+C\int \frac{(1 - \cos x) \sin x}{1 + \cos x} dx = -2 \log (1 + \cos x) - (-\cos x) + C = \cos x - 2 \log (1 + \cos x) + C
(3) t=1+sin2xt = 1 + \sin^2 x とおくと、dt=2sinxcosxdx=sin2xdxdt = 2 \sin x \cos x dx = \sin 2x dx なので、
sin2x1+sin2xdx=dtt=logt+C=log1+sin2x+C=log(1+sin2x)+C\int \frac{\sin 2x}{1 + \sin^2 x} dx = \int \frac{dt}{t} = \log |t| + C = \log |1 + \sin^2 x| + C = \log (1 + \sin^2 x) + C
(4) tanx1+cosxdx=sinxcosx(1+cosx)dx\int \frac{\tan x}{1 + \cos x} dx = \int \frac{\sin x}{\cos x (1 + \cos x)} dx
t=cosxt = \cos x とおくと、dt=sinxdxdt = - \sin x dx なので、
sinxcosx(1+cosx)dx=dtt(1+t)\int \frac{\sin x}{\cos x (1 + \cos x)} dx = - \int \frac{dt}{t (1 + t)}
ここで、1t(1+t)=At+B1+t\frac{1}{t(1 + t)} = \frac{A}{t} + \frac{B}{1 + t} と部分分数分解すると、1=A(1+t)+Bt=(A+B)t+A1 = A(1 + t) + Bt = (A + B) t + A より、A=1A = 1, B=1B = -1 なので、
1t(1+t)=1t11+t\frac{1}{t(1 + t)} = \frac{1}{t} - \frac{1}{1 + t}
したがって、dtt(1+t)=(1t11+t)dt=logt+log1+t+C=logcosx+log1+cosx+C=log1+cosxcosx+C=log1cosx+1+C=logsecx+1+C- \int \frac{dt}{t (1 + t)} = - \int (\frac{1}{t} - \frac{1}{1 + t}) dt = - \log |t| + \log |1 + t| + C = - \log |\cos x| + \log |1 + \cos x| + C = \log \left| \frac{1 + \cos x}{\cos x} \right| + C = \log \left| \frac{1}{\cos x} + 1 \right| + C = \log |\sec x + 1| + C
(5) tanx1+tanxdx=sinxcosx1+sinxcosxdx=sinxcosx+sinxdx\int \frac{\tan x}{1 + \tan x} dx = \int \frac{\frac{\sin x}{\cos x}}{1 + \frac{\sin x}{\cos x}} dx = \int \frac{\sin x}{\cos x + \sin x} dx
ここで、sinxsinx+cosxdx=Asinx+cosxsinx+cosxdx+Bcosxsinxsinx+cosxdx\int \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} dx = A \int \frac{\sin x + \cos x}{\sin x + \cos x} dx + B \int \frac{\cos x - \sin x}{\sin x + \cos x} dx
sinx=A(sinx+cosx)+B(cosxsinx)=(AB)sinx+(A+B)cosx\sin x = A (\sin x + \cos x) + B (\cos x - \sin x) = (A - B) \sin x + (A + B) \cos x より、AB=1A - B = 1, A+B=0A + B = 0 なので、A=12A = \frac{1}{2}, B=12B = - \frac{1}{2}
したがって、sinxsinx+cosxdx=121dx12cosxsinxsinx+cosxdx\int \frac{\sin x}{\sin x + \cos x} dx = \frac{1}{2} \int 1 dx - \frac{1}{2} \int \frac{\cos x - \sin x}{\sin x + \cos x} dx
t=sinx+cosxt = \sin x + \cos x とおくと、dt=(cosxsinx)dxdt = (\cos x - \sin x) dx なので、
121dx12cosxsinxsinx+cosxdx=12x12dtt=12x12logt+C=12x12logsinx+cosx+C\frac{1}{2} \int 1 dx - \frac{1}{2} \int \frac{\cos x - \sin x}{\sin x + \cos x} dx = \frac{1}{2} x - \frac{1}{2} \int \frac{dt}{t} = \frac{1}{2} x - \frac{1}{2} \log |t| + C = \frac{1}{2} x - \frac{1}{2} \log |\sin x + \cos x| + C
(6) (1+tanx)3dx=(1+3tanx+3tan2x+tan3x)dx=(1+3tanx+3tan2x+tanxtan2x)dx\int (1 + \tan x)^3 dx = \int (1 + 3 \tan x + 3 \tan^2 x + \tan^3 x) dx = \int (1 + 3 \tan x + 3 \tan^2 x + \tan x \tan^2 x) dx
=(1+3tanx+3tan2x+tanx(sec2x1))dx=(1+2tanx+3tan2x+tanxsec2x)dx= \int (1 + 3 \tan x + 3 \tan^2 x + \tan x (\sec^2 x - 1)) dx = \int (1 + 2 \tan x + 3 \tan^2 x + \tan x \sec^2 x) dx
=(1+2tanx+3(sec2x1)+tanxsec2x)dx=(2+2tanx+3sec2x+tanxsec2x)dx= \int (1 + 2 \tan x + 3 (\sec^2 x - 1) + \tan x \sec^2 x) dx = \int (-2 + 2 \tan x + 3 \sec^2 x + \tan x \sec^2 x) dx
=2x+2tanxdx+3tanx+12tan2x+C= -2x + 2 \int \tan x dx + 3 \tan x + \frac{1}{2} \tan^2 x + C
=2x+2sinxcosxdx+3tanx+12tan2x+C= -2x + 2 \int \frac{\sin x}{\cos x} dx + 3 \tan x + \frac{1}{2} \tan^2 x + C
t=cosxt = \cos x とおくと、dt=sinxdxdt = - \sin x dx なので、
2sinxcosxdx=2dtt=2logt+C1=2logcosx+C12 \int \frac{\sin x}{\cos x} dx = -2 \int \frac{dt}{t} = -2 \log |t| + C_1 = -2 \log |\cos x| + C_1
したがって、(1+tanx)3dx=2x2logcosx+3tanx+12tan2x+C\int (1 + \tan x)^3 dx = -2x - 2 \log |\cos x| + 3 \tan x + \frac{1}{2} \tan^2 x + C

3. 最終的な答え

(1) 14(1+sinx)4+C\frac{1}{4} (1 + \sin x)^4 + C
(2) cosx2log(1+cosx)+C\cos x - 2 \log (1 + \cos x) + C
(3) log(1+sin2x)+C\log (1 + \sin^2 x) + C
(4) logsecx+1+C\log |\sec x + 1| + C
(5) 12x12logsinx+cosx+C\frac{1}{2} x - \frac{1}{2} \log |\sin x + \cos x| + C
(6) 2x2logcosx+3tanx+12tan2x+C-2x - 2 \log |\cos x| + 3 \tan x + \frac{1}{2} \tan^2 x + C

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