与えられた定積分 $\int_{0}^{t} \left( \frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x}{x^2-\sqrt{2}x+1} - \frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x}{x^2+\sqrt{2}x+1} \right) dx$ を計算する。

解析学定積分積分計算三角関数arctan部分分数分解
2025/7/13

1. 問題の内容

与えられた定積分
0t(122xx22x+1122xx2+2x+1)dx\int_{0}^{t} \left( \frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x}{x^2-\sqrt{2}x+1} - \frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x}{x^2+\sqrt{2}x+1} \right) dx
を計算する。

2. 解き方の手順

積分を分解して、各項を計算する。
0t(122xx22x+1122xx2+2x+1)dx=1220t(xx22x+1xx2+2x+1)dx\int_{0}^{t} \left( \frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x}{x^2-\sqrt{2}x+1} - \frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x}{x^2+\sqrt{2}x+1} \right) dx = \frac{1}{2\sqrt{2}} \int_{0}^{t} \left( \frac{x}{x^2-\sqrt{2}x+1} - \frac{x}{x^2+\sqrt{2}x+1} \right) dx
それぞれの分数の分子を、分母の微分形にする。
x22x+1x^2-\sqrt{2}x+1 の微分は 2x22x-\sqrt{2} なので、x=12(2x2)+22x=\frac{1}{2}(2x-\sqrt{2}) + \frac{\sqrt{2}}{2} と変形する。
x2+2x+1x^2+\sqrt{2}x+1 の微分は 2x+22x+\sqrt{2} なので、x=12(2x+2)22x=\frac{1}{2}(2x+\sqrt{2}) - \frac{\sqrt{2}}{2} と変形する。
1220t(12(2x2)+22x22x+112(2x+2)22x2+2x+1)dx\frac{1}{2\sqrt{2}} \int_{0}^{t} \left( \frac{\frac{1}{2}(2x-\sqrt{2}) + \frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} - \frac{\frac{1}{2}(2x+\sqrt{2}) - \frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} \right) dx
=1220t(122x2x22x+1+221x22x+1122x+2x2+2x+1+221x2+2x+1)dx= \frac{1}{2\sqrt{2}} \int_{0}^{t} \left( \frac{1}{2} \frac{2x-\sqrt{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} + \frac{\sqrt{2}}{2} \frac{1}{x^2-\sqrt{2}x+1} - \frac{1}{2} \frac{2x+\sqrt{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{\sqrt{2}}{2} \frac{1}{x^2+\sqrt{2}x+1} \right) dx
=122[12ln(x22x+1)+220t1x22x+1dx12ln(x2+2x+1)+220t1x2+2x+1dx]0t= \frac{1}{2\sqrt{2}} \left[ \frac{1}{2} \ln(x^2-\sqrt{2}x+1) + \frac{\sqrt{2}}{2} \int_{0}^{t} \frac{1}{x^2-\sqrt{2}x+1} dx - \frac{1}{2} \ln(x^2+\sqrt{2}x+1) + \frac{\sqrt{2}}{2} \int_{0}^{t} \frac{1}{x^2+\sqrt{2}x+1} dx \right]_0^t
x22x+1=(x22)2+12x^2 - \sqrt{2}x + 1 = (x-\frac{\sqrt{2}}{2})^2 + \frac{1}{2}
x2+2x+1=(x+22)2+12x^2 + \sqrt{2}x + 1 = (x+\frac{\sqrt{2}}{2})^2 + \frac{1}{2}
1x2+a2dx=1aarctan(xa)\int \frac{1}{x^2 + a^2} dx = \frac{1}{a} \arctan(\frac{x}{a}) より
0t1x22x+1dx=0t1(x22)2+12dx=2arctan(2x1)0t=2(arctan(2t1)arctan(1))=2(arctan(2t1)+π4)\int_{0}^{t} \frac{1}{x^2-\sqrt{2}x+1} dx = \int_{0}^{t} \frac{1}{(x-\frac{\sqrt{2}}{2})^2 + \frac{1}{2}} dx = \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}x-1) \vert_0^t = \sqrt{2} (\arctan(\sqrt{2}t-1) - \arctan(-1)) = \sqrt{2} (\arctan(\sqrt{2}t-1) + \frac{\pi}{4})
0t1x2+2x+1dx=0t1(x+22)2+12dx=2arctan(2x+1)0t=2(arctan(2t+1)arctan(1))=2(arctan(2t+1)π4)\int_{0}^{t} \frac{1}{x^2+\sqrt{2}x+1} dx = \int_{0}^{t} \frac{1}{(x+\frac{\sqrt{2}}{2})^2 + \frac{1}{2}} dx = \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}x+1) \vert_0^t = \sqrt{2} (\arctan(\sqrt{2}t+1) - \arctan(1)) = \sqrt{2} (\arctan(\sqrt{2}t+1) - \frac{\pi}{4})
=142[lnx22x+1x2+2x+1+2(2arctan(2x1)+2arctan(2x+1)]0t= \frac{1}{4\sqrt{2}} \left[ \ln \frac{x^2-\sqrt{2}x+1}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \sqrt{2} ( \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}x-1) + \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}x+1) \right]_0^t
=142(lnt22t+1t2+2t+1+2arctan(2t1)+2arctan(2t+1)02(arctan(1)+arctan(1)))= \frac{1}{4\sqrt{2}} \left( \ln \frac{t^2-\sqrt{2}t+1}{t^2+\sqrt{2}t+1} + 2 \arctan(\sqrt{2}t-1) + 2 \arctan(\sqrt{2}t+1) - 0 - 2(\arctan(-1)+\arctan(1)) \right)
=142(lnt22t+1t2+2t+1+2arctan(2t1)+2arctan(2t+1))= \frac{1}{4\sqrt{2}} \left( \ln \frac{t^2-\sqrt{2}t+1}{t^2+\sqrt{2}t+1} + 2 \arctan(\sqrt{2}t-1) + 2 \arctan(\sqrt{2}t+1) \right)
arctan(a)+arctan(b)=arctan(a+b1ab)\arctan(a) + \arctan(b) = \arctan(\frac{a+b}{1-ab})
arctan(2t1)+arctan(2t+1)=arctan(22t1(2t21))=arctan(2t1t2)\arctan(\sqrt{2}t-1) + \arctan(\sqrt{2}t+1) = \arctan(\frac{2\sqrt{2}t}{1 - (2t^2-1)}) = \arctan(\frac{\sqrt{2}t}{1-t^2})
=142(lnt22t+1t2+2t+1+2arctan(2t1t2))= \frac{1}{4\sqrt{2}} \left( \ln \frac{t^2-\sqrt{2}t+1}{t^2+\sqrt{2}t+1} + 2 \arctan(\frac{\sqrt{2}t}{1-t^2}) \right)
=142ln(t22t+1t2+2t+1)+122arctan(2t1t2)=\frac{1}{4\sqrt{2}}\ln\left(\frac{t^2-\sqrt{2}t+1}{t^2+\sqrt{2}t+1}\right)+\frac{1}{2\sqrt{2}}\arctan\left(\frac{\sqrt{2}t}{1-t^2}\right)

3. 最終的な答え

142ln(t22t+1t2+2t+1)+122arctan(2t1t2)\frac{1}{4\sqrt{2}}\ln\left(\frac{t^2-\sqrt{2}t+1}{t^2+\sqrt{2}t+1}\right)+\frac{1}{2\sqrt{2}}\arctan\left(\frac{\sqrt{2}t}{1-t^2}\right)

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