与えられた関数の不定積分を計算する問題です。具体的には、以下の7つの不定積分を求める必要があります。 (1) $\int \frac{1}{\sqrt{1-9x^2}} dx$ (2) $\int \frac{1}{\sqrt{9-x^2}} dx$ (3) $\int \frac{1}{1+9x^2} dx$ (4) $\int \frac{1}{9+x^2} dx$ (5) $\int \frac{1}{x^2-2x+5} dx$ (6) $\int \frac{1}{\sqrt{-x^2-6x-8}} dx$ (4) $\int \frac{x}{1+x^2} dx$ (5) $\int \frac{x-1}{x^2+2x+6} dx$ (6) $\int \frac{\sin x \cos x}{\cos^2 x - 2} dx$ (7) $\int \tan x dx$

解析学不定積分置換積分三角関数積分計算
2025/7/9

1. 問題の内容

与えられた関数の不定積分を計算する問題です。具体的には、以下の7つの不定積分を求める必要があります。
(1) 119x2dx\int \frac{1}{\sqrt{1-9x^2}} dx
(2) 19x2dx\int \frac{1}{\sqrt{9-x^2}} dx
(3) 11+9x2dx\int \frac{1}{1+9x^2} dx
(4) 19+x2dx\int \frac{1}{9+x^2} dx
(5) 1x22x+5dx\int \frac{1}{x^2-2x+5} dx
(6) 1x26x8dx\int \frac{1}{\sqrt{-x^2-6x-8}} dx
(4) x1+x2dx\int \frac{x}{1+x^2} dx
(5) x1x2+2x+6dx\int \frac{x-1}{x^2+2x+6} dx
(6) sinxcosxcos2x2dx\int \frac{\sin x \cos x}{\cos^2 x - 2} dx
(7) tanxdx\int \tan x dx

2. 解き方の手順

(1) 119x2dx\int \frac{1}{\sqrt{1-9x^2}} dx
x=13sinθx = \frac{1}{3}\sin{\theta} と置換します。すると、dx=13cosθdθdx = \frac{1}{3}\cos{\theta} d\theta となり、
119x2dx=11sin2θ13cosθdθ=1cos2θ13cosθdθ=1cosθ13cosθdθ=13dθ=13θ+C=13arcsin(3x)+C\int \frac{1}{\sqrt{1-9x^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{1-\sin^2{\theta}}} \cdot \frac{1}{3}\cos{\theta} d\theta = \int \frac{1}{\sqrt{\cos^2{\theta}}} \cdot \frac{1}{3}\cos{\theta} d\theta = \int \frac{1}{\cos{\theta}} \cdot \frac{1}{3}\cos{\theta} d\theta = \int \frac{1}{3} d\theta = \frac{1}{3}\theta + C = \frac{1}{3}\arcsin(3x) + C
(2) 19x2dx\int \frac{1}{\sqrt{9-x^2}} dx
x=3sinθx = 3\sin{\theta} と置換します。すると、dx=3cosθdθdx = 3\cos{\theta} d\theta となり、
19x2dx=199sin2θ3cosθdθ=131sin2θ3cosθdθ=13cosθ3cosθdθ=1dθ=θ+C=arcsin(x3)+C\int \frac{1}{\sqrt{9-x^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{9-9\sin^2{\theta}}} \cdot 3\cos{\theta} d\theta = \int \frac{1}{3\sqrt{1-\sin^2{\theta}}} \cdot 3\cos{\theta} d\theta = \int \frac{1}{3\cos{\theta}} \cdot 3\cos{\theta} d\theta = \int 1 d\theta = \theta + C = \arcsin(\frac{x}{3}) + C
(3) 11+9x2dx\int \frac{1}{1+9x^2} dx
x=13tanθx = \frac{1}{3}\tan{\theta} と置換します。すると、dx=13sec2θdθdx = \frac{1}{3}\sec^2{\theta} d\theta となり、
11+9x2dx=11+tan2θ13sec2θdθ=1sec2θ13sec2θdθ=13dθ=13θ+C=13arctan(3x)+C\int \frac{1}{1+9x^2} dx = \int \frac{1}{1+\tan^2{\theta}} \cdot \frac{1}{3}\sec^2{\theta} d\theta = \int \frac{1}{\sec^2{\theta}} \cdot \frac{1}{3}\sec^2{\theta} d\theta = \int \frac{1}{3} d\theta = \frac{1}{3}\theta + C = \frac{1}{3}\arctan(3x) + C
(4) 19+x2dx\int \frac{1}{9+x^2} dx
19+x2dx=1911+(x3)2dx\int \frac{1}{9+x^2} dx = \frac{1}{9} \int \frac{1}{1+(\frac{x}{3})^2} dx
u=x3u = \frac{x}{3} と置換すると、du=13dxdu = \frac{1}{3} dx なので、dx=3dudx = 3du
1911+u23du=1311+u2du=13arctan(u)+C=13arctan(x3)+C\frac{1}{9} \int \frac{1}{1+u^2} \cdot 3 du = \frac{1}{3} \int \frac{1}{1+u^2} du = \frac{1}{3} \arctan(u) + C = \frac{1}{3}\arctan(\frac{x}{3}) + C
(5) 1x22x+5dx\int \frac{1}{x^2-2x+5} dx
x22x+5=(x1)2+4x^2-2x+5 = (x-1)^2 + 4 なので、
1x22x+5dx=1(x1)2+4dx\int \frac{1}{x^2-2x+5} dx = \int \frac{1}{(x-1)^2+4} dx
u=x1u = x-1 と置換すると、du=dxdu = dx
1u2+4du=1411+(u2)2du\int \frac{1}{u^2+4} du = \frac{1}{4} \int \frac{1}{1+(\frac{u}{2})^2} du
v=u2v = \frac{u}{2} と置換すると、dv=12dudv = \frac{1}{2} du なので、du=2dvdu = 2dv
1411+v22dv=1211+v2dv=12arctan(v)+C=12arctan(u2)+C=12arctan(x12)+C\frac{1}{4} \int \frac{1}{1+v^2} \cdot 2dv = \frac{1}{2} \int \frac{1}{1+v^2} dv = \frac{1}{2}\arctan(v) + C = \frac{1}{2}\arctan(\frac{u}{2}) + C = \frac{1}{2}\arctan(\frac{x-1}{2}) + C
(6) 1x26x8dx\int \frac{1}{\sqrt{-x^2-6x-8}} dx
x26x8=(x2+6x+8)=(x2+6x+91)=(x+3)2+1=1(x+3)2-x^2-6x-8 = -(x^2+6x+8) = -(x^2+6x+9-1) = -(x+3)^2+1 = 1-(x+3)^2
1x26x8dx=11(x+3)2dx\int \frac{1}{\sqrt{-x^2-6x-8}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{1-(x+3)^2}} dx
u=x+3u = x+3 と置換すると、du=dxdu = dx
11u2du=arcsin(u)+C=arcsin(x+3)+C\int \frac{1}{\sqrt{1-u^2}} du = \arcsin(u) + C = \arcsin(x+3) + C
(4) x1+x2dx\int \frac{x}{1+x^2} dx
u=1+x2u = 1+x^2 と置換すると、du=2xdxdu = 2x dx なので、xdx=12dux dx = \frac{1}{2} du
x1+x2dx=1u12du=121udu=12lnu+C=12ln(1+x2)+C\int \frac{x}{1+x^2} dx = \int \frac{1}{u} \cdot \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} \int \frac{1}{u} du = \frac{1}{2} \ln|u| + C = \frac{1}{2} \ln(1+x^2) + C (∵ 1+x2>01+x^2 > 0)
(5) x1x2+2x+6dx\int \frac{x-1}{x^2+2x+6} dx
x1x2+2x+6dx=x1(x+1)2+5dx\int \frac{x-1}{x^2+2x+6} dx = \int \frac{x-1}{(x+1)^2+5} dx
u=x+1u = x+1 と置換すると、x=u1x = u-1 なので、x1=u2x-1 = u-2du=dxdu = dx
u2u2+5du=uu2+5du2u2+5du\int \frac{u-2}{u^2+5} du = \int \frac{u}{u^2+5} du - \int \frac{2}{u^2+5} du
uu2+5du=12ln(u2+5)+C1\int \frac{u}{u^2+5} du = \frac{1}{2} \ln(u^2+5) + C_1
2u2+5du=251(u5)2+1du\int \frac{2}{u^2+5} du = \frac{2}{5} \int \frac{1}{(\frac{u}{\sqrt{5}})^2+1} du
v=u5v = \frac{u}{\sqrt{5}} と置換すると、dv=15dudv = \frac{1}{\sqrt{5}} du なので、du=5dvdu = \sqrt{5} dv
251v2+15dv=25arctan(v)+C2=25arctan(u5)+C2\frac{2}{5} \int \frac{1}{v^2+1} \sqrt{5} dv = \frac{2}{\sqrt{5}} \arctan(v) + C_2 = \frac{2}{\sqrt{5}} \arctan(\frac{u}{\sqrt{5}}) + C_2
x1x2+2x+6dx=12ln(u2+5)25arctan(u5)+C=12ln(x2+2x+6)25arctan(x+15)+C\int \frac{x-1}{x^2+2x+6} dx = \frac{1}{2} \ln(u^2+5) - \frac{2}{\sqrt{5}} \arctan(\frac{u}{\sqrt{5}}) + C = \frac{1}{2} \ln(x^2+2x+6) - \frac{2}{\sqrt{5}} \arctan(\frac{x+1}{\sqrt{5}}) + C
(6) sinxcosxcos2x2dx\int \frac{\sin x \cos x}{\cos^2 x - 2} dx
u=cos2x2u = \cos^2 x - 2 と置換すると、du=2cosxsinxdxdu = -2\cos x \sin x dx なので、sinxcosxdx=12du\sin x \cos x dx = -\frac{1}{2} du
sinxcosxcos2x2dx=1u(12du)=121udu=12lnu+C=12lncos2x2+C=12ln(2cos2x)+C\int \frac{\sin x \cos x}{\cos^2 x - 2} dx = \int \frac{1}{u} (-\frac{1}{2} du) = -\frac{1}{2} \int \frac{1}{u} du = -\frac{1}{2} \ln|u| + C = -\frac{1}{2} \ln|\cos^2 x - 2| + C = -\frac{1}{2} \ln(2 - \cos^2 x) + C (∵ 2cos2x>02 - \cos^2 x > 0)
(7) tanxdx\int \tan x dx
tanxdx=sinxcosxdx\int \tan x dx = \int \frac{\sin x}{\cos x} dx
u=cosxu = \cos x と置換すると、du=sinxdxdu = -\sin x dx なので、sinxdx=du\sin x dx = -du
sinxcosxdx=1u(du)=1udu=lnu+C=lncosx+C=lnsecx+C\int \frac{\sin x}{\cos x} dx = \int \frac{1}{u} (-du) = -\int \frac{1}{u} du = -\ln|u| + C = -\ln|\cos x| + C = \ln|\sec x| + C

3. 最終的な答え

(1) 13arcsin(3x)+C\frac{1}{3}\arcsin(3x) + C
(2) arcsin(x3)+C\arcsin(\frac{x}{3}) + C
(3) 13arctan(3x)+C\frac{1}{3}\arctan(3x) + C
(4) 13arctan(x3)+C\frac{1}{3}\arctan(\frac{x}{3}) + C
(5) 12arctan(x12)+C\frac{1}{2}\arctan(\frac{x-1}{2}) + C
(6) arcsin(x+3)+C\arcsin(x+3) + C
(4) 12ln(1+x2)+C\frac{1}{2} \ln(1+x^2) + C
(5) 12ln(x2+2x+6)25arctan(x+15)+C\frac{1}{2} \ln(x^2+2x+6) - \frac{2}{\sqrt{5}} \arctan(\frac{x+1}{\sqrt{5}}) + C
(6) 12ln(2cos2x)+C-\frac{1}{2} \ln(2 - \cos^2 x) + C
(7) lnsecx+C\ln|\sec x| + C

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