次の3つの関数の不定積分を求めます。 (1) $\int \frac{1}{(x+1)\sqrt{1-x+x^2}} dx$ (2) $\int \sqrt{x+\sqrt{x^2+2}} dx$ (3) $\int x^3 \sqrt{1+x^2} dx$

解析学不定積分置換積分三角関数双曲線関数
2025/6/30

1. 問題の内容

次の3つの関数の不定積分を求めます。
(1) 1(x+1)1x+x2dx\int \frac{1}{(x+1)\sqrt{1-x+x^2}} dx
(2) x+x2+2dx\int \sqrt{x+\sqrt{x^2+2}} dx
(3) x31+x2dx\int x^3 \sqrt{1+x^2} dx

2. 解き方の手順

(1) 1(x+1)1x+x2dx\int \frac{1}{(x+1)\sqrt{1-x+x^2}} dx
x+1=1tx+1 = \frac{1}{t} と置換すると、dx=1t2dtdx = -\frac{1}{t^2}dt。また、x=1t1x = \frac{1}{t} - 1なので、
1x+x2=1(1t1)+(1t1)2=11t+1+1t22t+1=1t23t+3=13t+3t2t21-x+x^2 = 1 - (\frac{1}{t} - 1) + (\frac{1}{t}-1)^2 = 1 - \frac{1}{t} + 1 + \frac{1}{t^2} - \frac{2}{t} + 1 = \frac{1}{t^2} - \frac{3}{t} + 3 = \frac{1-3t+3t^2}{t^2}
したがって、
1(x+1)1x+x2dx=11t13t+3t2t2(1t2)dt=t13t+3t2(1t2)dt=113t+3t21tdt=113t+3t2dt\int \frac{1}{(x+1)\sqrt{1-x+x^2}} dx = \int \frac{1}{\frac{1}{t} \sqrt{\frac{1-3t+3t^2}{t^2}}} (-\frac{1}{t^2}) dt = \int \frac{t}{\sqrt{1-3t+3t^2}} (-\frac{1}{t^2}) dt = -\int \frac{1}{\sqrt{1-3t+3t^2}} \frac{1}{t} dt = -\int \frac{1}{\sqrt{1-3t+3t^2}} dt
ここで、13t+3t2=3(t2t)+1=3(t2t+14)34+1=3(t12)2+14=(3(t12))2+(12)21-3t+3t^2 = 3(t^2 - t) + 1 = 3(t^2 - t + \frac{1}{4}) - \frac{3}{4} + 1 = 3(t-\frac{1}{2})^2 + \frac{1}{4} = (\sqrt{3}(t-\frac{1}{2}))^2 + (\frac{1}{2})^2
u=3(t12)u = \sqrt{3}(t-\frac{1}{2})と置換すると、du=3dtdu = \sqrt{3} dt より、dt=13dudt = \frac{1}{\sqrt{3}} du
113t+3t2dt=1u2+(12)213du=131u2+(12)2du=13sinh1(u1/2)+C-\int \frac{1}{\sqrt{1-3t+3t^2}} dt = -\int \frac{1}{\sqrt{u^2 + (\frac{1}{2})^2}} \frac{1}{\sqrt{3}} du = -\frac{1}{\sqrt{3}} \int \frac{1}{\sqrt{u^2 + (\frac{1}{2})^2}} du = -\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(\frac{u}{1/2}) + C
=13sinh1(2u)+C=13sinh1(23(t12))+C=13sinh1(3(2t1))+C=13sinh1(3(2x+11))+C=13sinh1(31x1+x)+C= -\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(2u) + C = -\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(2\sqrt{3}(t-\frac{1}{2})) + C = -\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(\sqrt{3}(2t-1)) + C = -\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(\sqrt{3}(\frac{2}{x+1}-1)) + C = -\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(\sqrt{3}\frac{1-x}{1+x}) + C
(2) x+x2+2dx\int \sqrt{x+\sqrt{x^2+2}} dx
x=2sinh(u)x = \sqrt{2} \sinh(u) と置換すると、dx=2cosh(u)dudx = \sqrt{2} \cosh(u) du。すると、
x2+2=2sinh2(u)+2=2(sinh2(u)+1)=2cosh2(u)x^2 + 2 = 2 \sinh^2(u) + 2 = 2(\sinh^2(u) + 1) = 2\cosh^2(u)
x2+2=2cosh(u)\sqrt{x^2+2} = \sqrt{2}\cosh(u)
x+x2+2=2sinh(u)+2cosh(u)=2(sinh(u)+cosh(u))=2eu\sqrt{x + \sqrt{x^2+2}} = \sqrt{\sqrt{2}\sinh(u) + \sqrt{2}\cosh(u)} = \sqrt{\sqrt{2}(\sinh(u) + \cosh(u))} = \sqrt{\sqrt{2}e^u}
x+x2+2dx=2eu2cosh(u)du=242eu/2cosh(u)du=84eu/2eu+eu2du=842(e3u/2+eu/2)du=842(23e3u/22eu/2)+C=843e3u/284eu/2+C\int \sqrt{x+\sqrt{x^2+2}} dx = \int \sqrt{\sqrt{2}e^u} \sqrt{2}\cosh(u) du = \sqrt[4]{2} \sqrt{2} \int e^{u/2} \cosh(u) du = \sqrt[4]{8} \int e^{u/2} \frac{e^u + e^{-u}}{2} du = \frac{\sqrt[4]{8}}{2} \int (e^{3u/2} + e^{-u/2}) du = \frac{\sqrt[4]{8}}{2} (\frac{2}{3}e^{3u/2} - 2e^{-u/2}) + C = \frac{\sqrt[4]{8}}{3}e^{3u/2} - \sqrt[4]{8}e^{-u/2} + C
x=2sinh(u)x = \sqrt{2} \sinh(u)より、u=sinh1(x2)u = \sinh^{-1}(\frac{x}{\sqrt{2}})
=843e32sinh1(x2)84e12sinh1(x2)+C= \frac{\sqrt[4]{8}}{3}e^{\frac{3}{2}\sinh^{-1}(\frac{x}{\sqrt{2}})} - \sqrt[4]{8}e^{-\frac{1}{2}\sinh^{-1}(\frac{x}{\sqrt{2}})} + C
(3) x31+x2dx\int x^3 \sqrt{1+x^2} dx
u=1+x2u = 1+x^2 と置換すると、du=2xdxdu = 2x dx より、xdx=12dux dx = \frac{1}{2} du。また、x2=u1x^2 = u-1
x31+x2dx=x21+x2xdx=(u1)u12du=12(u3/2u1/2)du=12(25u5/223u3/2)+C=15u5/213u3/2+C=15(1+x2)5/213(1+x2)3/2+C\int x^3 \sqrt{1+x^2} dx = \int x^2 \sqrt{1+x^2} x dx = \int (u-1)\sqrt{u} \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} \int (u^{3/2} - u^{1/2}) du = \frac{1}{2} (\frac{2}{5}u^{5/2} - \frac{2}{3}u^{3/2}) + C = \frac{1}{5}u^{5/2} - \frac{1}{3}u^{3/2} + C = \frac{1}{5}(1+x^2)^{5/2} - \frac{1}{3}(1+x^2)^{3/2} + C

3. 最終的な答え

(1) 13sinh1(31x1+x)+C-\frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1}(\sqrt{3}\frac{1-x}{1+x}) + C
(2) 843e32sinh1(x2)84e12sinh1(x2)+C\frac{\sqrt[4]{8}}{3}e^{\frac{3}{2}\sinh^{-1}(\frac{x}{\sqrt{2}})} - \sqrt[4]{8}e^{-\frac{1}{2}\sinh^{-1}(\frac{x}{\sqrt{2}})} + C
(3) 15(1+x2)5/213(1+x2)3/2+C\frac{1}{5}(1+x^2)^{5/2} - \frac{1}{3}(1+x^2)^{3/2} + C

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