## 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) ∫x(x−1)3x3+1dx
(2) ∫(x2+4)2x3+x2dx
(3) ∫cosx1dx
(4) ∫sinx−cosx+11dx
(5) ∫sinx+1sinxdx
## 解き方の手順
### (1) ∫x(x−1)3x3+1dx
部分分数分解を行います。
x(x−1)3x3+1=xA+x−1B+(x−1)2C+(x−1)3D
両辺に x(x−1)3 をかけると、
x3+1=A(x−1)3+Bx(x−1)2+Cx(x−1)+Dx
x=0 のとき、1=A(−1)3⟹A=−1
x=1 のとき、2=D⟹D=2
x=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=3
x=−1 のとき、0=A(−2)3+B(−1)(−2)2+C(−1)(−2)+D(−1)=8−4B+2C−2⟹−4B+2C=−6⟹−2B+C=−3
B+C=3 と −2B+C=−3 より、引くと 3B=6⟹B=2.
したがって、C=3−B=3−2=1.
よって、
x(x−1)3x3+1=−x1+x−12+(x−1)21+(x−1)32
したがって、
∫x(x−1)3x3+1dx=−∫x1dx+2∫x−11dx+∫(x−1)21dx+2∫(x−1)31dx
=−ln∣x∣+2ln∣x−1∣−x−11−(x−1)21+C
### (2) ∫(x2+4)2x3+x2dx
∫(x2+4)2x3+x2dx=∫(x2+4)2x(x2+4)+x2−4xdx=∫x2+4xdx+∫(x2+4)2x2−4xdx
I1=∫x2+4xdx=21ln(x2+4)+C1
I2=∫(x2+4)2x2−4xdx=∫(x2+4)2x2+4−4−4xdx=∫x2+41dx−∫(x2+4)24+4xdx=21arctan(2x)−∫(x2+4)24dx−∫(x2+4)24xdx=21arctan(2x)−∫(x2+4)24dx+x2+42
∫(x2+a2)21dx=2a2(x2+a2)x+2a31arctan(ax)+C を使うと、
∫(x2+4)24dx=4∫(x2+22)21dx=4(2(4)(x2+4)x+2(8)1arctan(2x))=2(x2+4)x+41arctan(2x)
よって、
I2=21arctan(2x)−2(x2+4)x−41arctan(2x)+x2+42=41arctan(2x)−2(x2+4)x+x2+42
∫(x2+4)2x3+x2dx=I1+I2=21ln(x2+4)+41arctan(2x)−2(x2+4)x+x2+42+C=21ln(x2+4)+41arctan(2x)+2(x2+4)4−x+C
### (3) ∫cosx1dx
∫cosx1dx=∫cos2xcosxdx=∫1−sin2xcosxdx
u=sinx とおくと、du=cosxdx
∫1−u21du=21∫(1−u1+1+u1)du=21(−ln∣1−u∣+ln∣1+u∣)+C=21ln∣1−u1+u∣+C=21ln∣1−sinx1+sinx∣+C
=21ln∣1−sin2x(1+sinx)2∣+C=21ln∣cos2x(1+sinx)2∣+C=ln∣cosx1+sinx∣+C=ln∣secx+tanx∣+C
### (4) ∫sinx−cosx+11dx
t=tan(2x) とおくと、
sinx=1+t22t,cosx=1+t21−t2,dx=1+t22dt
∫sinx−cosx+11dx=∫1+t22t−1+t21−t2+111+t22dt=∫2t−(1−t2)+(1+t2)2dt=∫2t−1+t2+1+t22dt=∫2t2+2t2dt=∫t2+t1dt=∫t(t+1)1dt=∫(t1−t+11)dt=ln∣t∣−ln∣t+1∣+C=ln∣t+1t∣+C=ln∣tan(2x)+1tan(2x)∣+C
### (5) ∫sinx+1sinxdx
∫sinx+1sinxdx=∫sinx+1sinx+1−1dx=∫(1−sinx+11)dx=x−∫sinx+11dx
∫sinx+11dx=∫1−sin2x1−sinxdx=∫cos2x1−sinxdx=∫(sec2x−secxtanx)dx=tanx−secx+C
∫sinx+1sinxdx=x−(tanx−secx)+C=x−tanx+secx+C
## 最終的な答え
(1) −ln∣x∣+2ln∣x−1∣−x−11−(x−1)21+C
(2) 21ln(x2+4)+41arctan(2x)+2(x2+4)4−x+C
(3) ln∣secx+tanx∣+C
(4) ln∣tan(2x)+1tan(2x)∣+C
(5) x−tanx+secx+C