## 問題1:不定積分を計算せよ

解析学不定積分部分分数分解三角関数の積分置換積分
2025/7/14
## 問題1:不定積分を計算せよ
与えられた5つの不定積分を計算します。
(1) x3+1x(x1)3dx\int \frac{x^3+1}{x(x-1)^3} dx
(2) x3+x2(x2+4)2dx\int \frac{x^3+x^2}{(x^2+4)^2} dx
(3) 1cosxdx\int \frac{1}{\cos x} dx
(4) 1sinxcosx+1dx\int \frac{1}{\sin x - \cos x + 1} dx
(5) sinxsinx+1dx\int \frac{\sin x}{\sin x + 1} dx
## 解き方の手順
### (1) x3+1x(x1)3dx\int \frac{x^3+1}{x(x-1)^3} dx
部分分数分解を行います。
x3+1x(x1)3=Ax+Bx1+C(x1)2+D(x1)3\frac{x^3+1}{x(x-1)^3} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x-1} + \frac{C}{(x-1)^2} + \frac{D}{(x-1)^3}
両辺に x(x1)3x(x-1)^3 をかけると、
x3+1=A(x1)3+Bx(x1)2+Cx(x1)+Dxx^3 + 1 = A(x-1)^3 + Bx(x-1)^2 + Cx(x-1) + Dx
x=0x=0 のとき、1=A(1)3    A=11 = A(-1)^3 \implies A=-1
x=1x=1 のとき、2=D    D=22 = D \implies D=2
x=2x=2 のとき、9=A(1)3+B(2)(1)2+C(2)(1)+D(2)=1+2B+2C+4    2B+2C=6    B+C=39 = A(1)^3 + B(2)(1)^2 + C(2)(1) + D(2) = -1 + 2B + 2C + 4 \implies 2B + 2C = 6 \implies B+C = 3
x=1x=-1 のとき、0=A(2)3+B(1)(2)2+C(1)(2)+D(1)=84B+2C2    4B+2C=6    2B+C=30 = A(-2)^3 + B(-1)(-2)^2 + C(-1)(-2) + D(-1) = 8 - 4B + 2C - 2 \implies -4B+2C = -6 \implies -2B + C = -3
B+C=3B+C = 32B+C=3-2B+C = -3 より、引くと 3B=6    B=23B = 6 \implies B = 2.
したがって、C=3B=32=1C = 3-B = 3-2 = 1.
よって、
x3+1x(x1)3=1x+2x1+1(x1)2+2(x1)3\frac{x^3+1}{x(x-1)^3} = -\frac{1}{x} + \frac{2}{x-1} + \frac{1}{(x-1)^2} + \frac{2}{(x-1)^3}
したがって、
x3+1x(x1)3dx=1xdx+21x1dx+1(x1)2dx+21(x1)3dx\int \frac{x^3+1}{x(x-1)^3} dx = -\int \frac{1}{x} dx + 2 \int \frac{1}{x-1} dx + \int \frac{1}{(x-1)^2} dx + 2 \int \frac{1}{(x-1)^3} dx
=lnx+2lnx11x11(x1)2+C= -\ln|x| + 2\ln|x-1| - \frac{1}{x-1} - \frac{1}{(x-1)^2} + C
### (2) x3+x2(x2+4)2dx\int \frac{x^3+x^2}{(x^2+4)^2} dx
x3+x2(x2+4)2dx=x(x2+4)+x24x(x2+4)2dx=xx2+4dx+x24x(x2+4)2dx\int \frac{x^3+x^2}{(x^2+4)^2} dx = \int \frac{x(x^2+4) + x^2 - 4x}{(x^2+4)^2} dx = \int \frac{x}{x^2+4} dx + \int \frac{x^2-4x}{(x^2+4)^2} dx
I1=xx2+4dx=12ln(x2+4)+C1I_1 = \int \frac{x}{x^2+4} dx = \frac{1}{2} \ln(x^2+4) + C_1
I2=x24x(x2+4)2dx=x2+444x(x2+4)2dx=1x2+4dx4+4x(x2+4)2dx=12arctan(x2)4(x2+4)2dx4x(x2+4)2dx=12arctan(x2)4(x2+4)2dx+2x2+4I_2 = \int \frac{x^2-4x}{(x^2+4)^2} dx = \int \frac{x^2+4 -4 -4x}{(x^2+4)^2} dx = \int \frac{1}{x^2+4} dx - \int \frac{4+4x}{(x^2+4)^2} dx = \frac{1}{2} \arctan(\frac{x}{2}) - \int \frac{4}{(x^2+4)^2} dx - \int \frac{4x}{(x^2+4)^2} dx = \frac{1}{2} \arctan(\frac{x}{2}) - \int \frac{4}{(x^2+4)^2} dx + \frac{2}{x^2+4}
1(x2+a2)2dx=x2a2(x2+a2)+12a3arctan(xa)+C\int \frac{1}{(x^2+a^2)^2} dx = \frac{x}{2a^2(x^2+a^2)} + \frac{1}{2a^3} \arctan(\frac{x}{a}) + C を使うと、
4(x2+4)2dx=41(x2+22)2dx=4(x2(4)(x2+4)+12(8)arctan(x2))=x2(x2+4)+14arctan(x2)\int \frac{4}{(x^2+4)^2} dx = 4 \int \frac{1}{(x^2+2^2)^2} dx = 4(\frac{x}{2(4)(x^2+4)} + \frac{1}{2(8)} \arctan(\frac{x}{2})) = \frac{x}{2(x^2+4)} + \frac{1}{4} \arctan(\frac{x}{2})
よって、
I2=12arctan(x2)x2(x2+4)14arctan(x2)+2x2+4=14arctan(x2)x2(x2+4)+2x2+4I_2 = \frac{1}{2} \arctan(\frac{x}{2}) - \frac{x}{2(x^2+4)} - \frac{1}{4} \arctan(\frac{x}{2}) + \frac{2}{x^2+4} = \frac{1}{4} \arctan(\frac{x}{2}) - \frac{x}{2(x^2+4)} + \frac{2}{x^2+4}
x3+x2(x2+4)2dx=I1+I2=12ln(x2+4)+14arctan(x2)x2(x2+4)+2x2+4+C=12ln(x2+4)+14arctan(x2)+4x2(x2+4)+C\int \frac{x^3+x^2}{(x^2+4)^2} dx = I_1 + I_2 = \frac{1}{2} \ln(x^2+4) + \frac{1}{4} \arctan(\frac{x}{2}) - \frac{x}{2(x^2+4)} + \frac{2}{x^2+4} + C = \frac{1}{2} \ln(x^2+4) + \frac{1}{4} \arctan(\frac{x}{2}) + \frac{4-x}{2(x^2+4)} + C
### (3) 1cosxdx\int \frac{1}{\cos x} dx
1cosxdx=cosxcos2xdx=cosx1sin2xdx\int \frac{1}{\cos x} dx = \int \frac{\cos x}{\cos^2 x} dx = \int \frac{\cos x}{1-\sin^2 x} dx
u=sinxu=\sin x とおくと、du=cosxdxdu=\cos x dx
11u2du=12(11u+11+u)du=12(ln1u+ln1+u)+C=12ln1+u1u+C=12ln1+sinx1sinx+C\int \frac{1}{1-u^2} du = \frac{1}{2} \int (\frac{1}{1-u} + \frac{1}{1+u}) du = \frac{1}{2} (-\ln|1-u| + \ln|1+u|) + C = \frac{1}{2} \ln|\frac{1+u}{1-u}| + C = \frac{1}{2} \ln|\frac{1+\sin x}{1-\sin x}| + C
=12ln(1+sinx)21sin2x+C=12ln(1+sinx)2cos2x+C=ln1+sinxcosx+C=lnsecx+tanx+C= \frac{1}{2} \ln|\frac{(1+\sin x)^2}{1-\sin^2 x}| + C = \frac{1}{2} \ln|\frac{(1+\sin x)^2}{\cos^2 x}| + C = \ln|\frac{1+\sin x}{\cos x}| + C = \ln|\sec x + \tan x| + C
### (4) 1sinxcosx+1dx\int \frac{1}{\sin x - \cos x + 1} dx
t=tan(x2)t = \tan(\frac{x}{2}) とおくと、
sinx=2t1+t2,cosx=1t21+t2,dx=21+t2dt\sin x = \frac{2t}{1+t^2}, \cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2}, dx = \frac{2}{1+t^2} dt
1sinxcosx+1dx=12t1+t21t21+t2+121+t2dt=22t(1t2)+(1+t2)dt=22t1+t2+1+t2dt=22t2+2tdt=1t2+tdt=1t(t+1)dt=(1t1t+1)dt=lntlnt+1+C=lntt+1+C=lntan(x2)tan(x2)+1+C\int \frac{1}{\sin x - \cos x + 1} dx = \int \frac{1}{\frac{2t}{1+t^2} - \frac{1-t^2}{1+t^2} + 1} \frac{2}{1+t^2} dt = \int \frac{2}{2t - (1-t^2) + (1+t^2)} dt = \int \frac{2}{2t - 1 + t^2 + 1 + t^2} dt = \int \frac{2}{2t^2+2t} dt = \int \frac{1}{t^2+t} dt = \int \frac{1}{t(t+1)} dt = \int (\frac{1}{t} - \frac{1}{t+1}) dt = \ln|t| - \ln|t+1| + C = \ln|\frac{t}{t+1}| + C = \ln|\frac{\tan(\frac{x}{2})}{\tan(\frac{x}{2})+1}| + C
### (5) sinxsinx+1dx\int \frac{\sin x}{\sin x + 1} dx
sinxsinx+1dx=sinx+11sinx+1dx=(11sinx+1)dx=x1sinx+1dx\int \frac{\sin x}{\sin x + 1} dx = \int \frac{\sin x+1 - 1}{\sin x + 1} dx = \int (1 - \frac{1}{\sin x+1}) dx = x - \int \frac{1}{\sin x+1} dx
1sinx+1dx=1sinx1sin2xdx=1sinxcos2xdx=(sec2xsecxtanx)dx=tanxsecx+C\int \frac{1}{\sin x + 1} dx = \int \frac{1-\sin x}{1 - \sin^2 x} dx = \int \frac{1-\sin x}{\cos^2 x} dx = \int (\sec^2 x - \sec x \tan x) dx = \tan x - \sec x + C
sinxsinx+1dx=x(tanxsecx)+C=xtanx+secx+C\int \frac{\sin x}{\sin x + 1} dx = x - (\tan x - \sec x) + C = x - \tan x + \sec x + C
## 最終的な答え
(1) lnx+2lnx11x11(x1)2+C-\ln|x| + 2\ln|x-1| - \frac{1}{x-1} - \frac{1}{(x-1)^2} + C
(2) 12ln(x2+4)+14arctan(x2)+4x2(x2+4)+C\frac{1}{2} \ln(x^2+4) + \frac{1}{4} \arctan(\frac{x}{2}) + \frac{4-x}{2(x^2+4)} + C
(3) lnsecx+tanx+C\ln|\sec x + \tan x| + C
(4) lntan(x2)tan(x2)+1+C\ln|\frac{\tan(\frac{x}{2})}{\tan(\frac{x}{2})+1}| + C
(5) xtanx+secx+Cx - \tan x + \sec x + C

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