与えられた8つの関数の不定積分を求める問題です。 (1) $x(2x+1)^8$ (2) $\sin(3x+1)$ (3) $\frac{(\log x)^2}{x}$ (4) $\frac{e^x}{1+e^x}$ (5) $x \log x$ (6) $x \tan^{-1} x$ (7) $\frac{1}{x^2-2x-3}$ (8) $\frac{1}{x^4+1}$

解析学不定積分置換積分部分積分有理関数の積分三角関数の積分
2025/7/16

1. 問題の内容

与えられた8つの関数の不定積分を求める問題です。
(1) x(2x+1)8x(2x+1)^8
(2) sin(3x+1)\sin(3x+1)
(3) (logx)2x\frac{(\log x)^2}{x}
(4) ex1+ex\frac{e^x}{1+e^x}
(5) xlogxx \log x
(6) xtan1xx \tan^{-1} x
(7) 1x22x3\frac{1}{x^2-2x-3}
(8) 1x4+1\frac{1}{x^4+1}

2. 解き方の手順

(1) x(2x+1)8x(2x+1)^8
u=2x+1u = 2x+1 と置換すると、x=u12x = \frac{u-1}{2}dx=12dudx = \frac{1}{2}du となります。
したがって、
x(2x+1)8dx=u12u812du=14(u9u8)du=14(u1010u99)+C=14((2x+1)1010(2x+1)99)+C=(2x+1)9360(9(2x+1)10)+C=(2x+1)9(18x1)360+C\int x(2x+1)^8 dx = \int \frac{u-1}{2}u^8 \frac{1}{2} du = \frac{1}{4}\int (u^9 - u^8) du = \frac{1}{4}(\frac{u^{10}}{10} - \frac{u^9}{9}) + C = \frac{1}{4}(\frac{(2x+1)^{10}}{10} - \frac{(2x+1)^9}{9}) + C = \frac{(2x+1)^9}{360} (9(2x+1)-10)+C = \frac{(2x+1)^9(18x-1)}{360} + C
(2) sin(3x+1)\sin(3x+1)
u=3x+1u = 3x+1 と置換すると、du=3dxdu = 3dx より、dx=13dudx = \frac{1}{3}du となります。
sin(3x+1)dx=sin(u)13du=13cos(u)+C=13cos(3x+1)+C\int \sin(3x+1)dx = \int \sin(u) \frac{1}{3}du = -\frac{1}{3}\cos(u) + C = -\frac{1}{3}\cos(3x+1) + C
(3) (logx)2x\frac{(\log x)^2}{x}
u=logxu = \log x と置換すると、du=1xdxdu = \frac{1}{x}dx となります。
(logx)2xdx=u2du=u33+C=(logx)33+C\int \frac{(\log x)^2}{x} dx = \int u^2 du = \frac{u^3}{3} + C = \frac{(\log x)^3}{3} + C
(4) ex1+ex\frac{e^x}{1+e^x}
u=1+exu = 1+e^x と置換すると、du=exdxdu = e^x dx となります。
ex1+exdx=1udu=logu+C=log(1+ex)+C\int \frac{e^x}{1+e^x} dx = \int \frac{1}{u} du = \log |u| + C = \log(1+e^x) + C
(5) xlogxx \log x
部分積分を行います。u=logx,dv=xdxu = \log x, dv = x dx とすると、du=1xdx,v=x22du = \frac{1}{x}dx, v = \frac{x^2}{2} となります。
xlogxdx=x22logxx221xdx=x22logxx2dx=x22logxx24+C\int x \log x dx = \frac{x^2}{2} \log x - \int \frac{x^2}{2} \frac{1}{x} dx = \frac{x^2}{2} \log x - \int \frac{x}{2} dx = \frac{x^2}{2} \log x - \frac{x^2}{4} + C
(6) xtan1xx \tan^{-1} x
部分積分を行います。u=tan1x,dv=xdxu = \tan^{-1} x, dv = x dx とすると、du=11+x2dx,v=x22du = \frac{1}{1+x^2}dx, v = \frac{x^2}{2} となります。
xtan1xdx=x22tan1xx2211+x2dx=x22tan1x12x21+x2dx=x22tan1x12x2+111+x2dx=x22tan1x12(111+x2)dx=x22tan1x12(xtan1x)+C=x22tan1xx2+12tan1x+C=x2+12tan1xx2+C\int x \tan^{-1} x dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \int \frac{x^2}{2} \frac{1}{1+x^2} dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{1}{2} \int \frac{x^2}{1+x^2} dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{1}{2} \int \frac{x^2+1-1}{1+x^2} dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{1}{2} \int (1 - \frac{1}{1+x^2}) dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{1}{2}(x - \tan^{-1} x) + C = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{x}{2} + \frac{1}{2} \tan^{-1} x + C = \frac{x^2+1}{2} \tan^{-1} x - \frac{x}{2} + C
(7) 1x22x3\frac{1}{x^2-2x-3}
1x22x3=1(x3)(x+1)=Ax3+Bx+1\frac{1}{x^2-2x-3} = \frac{1}{(x-3)(x+1)} = \frac{A}{x-3} + \frac{B}{x+1}
1=A(x+1)+B(x3)1 = A(x+1) + B(x-3)
x=3x = 3 のとき、1=4A1 = 4A より A=14A = \frac{1}{4}
x=1x = -1 のとき、1=4B1 = -4B より B=14B = -\frac{1}{4}
1x22x3dx=(1/4x31/4x+1)dx=14logx314logx+1+C=14logx3x+1+C\int \frac{1}{x^2-2x-3} dx = \int (\frac{1/4}{x-3} - \frac{1/4}{x+1}) dx = \frac{1}{4} \log|x-3| - \frac{1}{4} \log|x+1| + C = \frac{1}{4} \log|\frac{x-3}{x+1}| + C
(8) 1x4+1\frac{1}{x^4+1}
1x4+1=Ax+Bx2+2x+1+Cx+Dx22x+1\frac{1}{x^4+1} = \frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{2}x+1}+\frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{2}x+1}
1=(Ax+B)(x22x+1)+(Cx+D)(x2+2x+1)1 = (Ax+B)(x^2-\sqrt{2}x+1)+(Cx+D)(x^2+\sqrt{2}x+1)
A+C=0,2A+B+2C+D=0,A2B+C+2D=0,B+D=1A+C=0, -\sqrt{2}A+B+\sqrt{2}C+D=0, A-\sqrt{2}B+C+\sqrt{2}D=0, B+D=1
A=C,22C+B+D=0,2A+2(DB)=0A=-C, 2\sqrt{2}C+B+D=0, 2A+\sqrt{2}(D-B)=0
B+D=1,22C+1=0B+D=1, 2\sqrt{2}C+1=0
C=122=24,A=24C = -\frac{1}{2\sqrt{2}} = -\frac{\sqrt{2}}{4}, A = \frac{\sqrt{2}}{4}
2A+2(DB)=02A+\sqrt{2}(D-B)=0
224+2(DB)=02 \cdot \frac{\sqrt{2}}{4} + \sqrt{2}(D-B) = 0
22+2(DB)=0\frac{\sqrt{2}}{2} + \sqrt{2}(D-B) = 0
DB=12D-B = -\frac{1}{2}
B+D=1,DB=12B+D = 1, D-B = -\frac{1}{2} より 2D=12,D=142D = \frac{1}{2}, D = \frac{1}{4}
B=1D=34B = 1 - D = \frac{3}{4}
1x4+1dx=24x+32x2+2x+1dx24x32x22x+1dx\int \frac{1}{x^4+1}dx = \frac{\sqrt{2}}{4}\int \frac{x+\frac{3}{\sqrt{2}}}{x^2+\sqrt{2}x+1}dx - \frac{\sqrt{2}}{4}\int \frac{x-\frac{3}{\sqrt{2}}}{x^2-\sqrt{2}x+1}dx
x+32x2+2x+1dx=12log(x2+2x+1)+2tan1(2x+1)\int \frac{x+\frac{3}{\sqrt{2}}}{x^2+\sqrt{2}x+1}dx= \frac{1}{2}\log(x^2+\sqrt{2}x+1)+\sqrt{2}\tan^{-1}(\sqrt{2}x+1)
x32x22x+1dx=12log(x22x+1)2tan1(2x1)\int \frac{x-\frac{3}{\sqrt{2}}}{x^2-\sqrt{2}x+1}dx=\frac{1}{2}\log(x^2-\sqrt{2}x+1)-\sqrt{2}\tan^{-1}(\sqrt{2}x-1)
1x4+1dx=28log(x2+2x+1x22x+1)+24(12)(arctan(2x+1)+arctan(2x1))\int \frac{1}{x^4+1}dx= \frac{\sqrt{2}}{8}log(\frac{x^2+\sqrt{2}x+1}{x^2-\sqrt{2}x+1}) + \frac{\sqrt{2}}{4}\cdot (\frac{1}{\sqrt{2}})(\arctan (\sqrt{2} x+1)+\arctan (\sqrt{2} x-1))
=28log(x2+2x+1x22x+1)+24atan(2x22x2)=\frac{\sqrt{2}}{8}\log(\frac{x^2+\sqrt{2}x+1}{x^2-\sqrt{2}x+1})+\frac{\sqrt{2}}{4}atan \left ( \frac{2x\sqrt{2}}{-2x^2} \right )
28log(x2+2x+1x22x+1)+24tan1(2x2)+12π4+C\frac{\sqrt{2}}{8}\log(\frac{x^2+\sqrt{2}x+1}{x^2-\sqrt{2}x+1})+\frac{\sqrt{2}}{4}\tan^{-1}(\sqrt{2}x^2)+\frac{1}{\sqrt{2}\frac{\pi}{4}}+ C

3. 最終的な答え

(1) (2x+1)9(18x1)360+C\frac{(2x+1)^9(18x-1)}{360} + C
(2) 13cos(3x+1)+C-\frac{1}{3}\cos(3x+1) + C
(3) (logx)33+C\frac{(\log x)^3}{3} + C
(4) log(1+ex)+C\log(1+e^x) + C
(5) x22logxx24+C\frac{x^2}{2} \log x - \frac{x^2}{4} + C
(6) x2+12tan1xx2+C\frac{x^2+1}{2} \tan^{-1} x - \frac{x}{2} + C
(7) 14logx3x+1+C\frac{1}{4} \log|\frac{x-3}{x+1}| + C
(8) 28log(x2+2x+1x22x+1)+24arctan(2x1x2)+C\frac{\sqrt{2}}{8}\log\left(\frac{x^2+\sqrt{2}x+1}{x^2-\sqrt{2}x+1}\right) + \frac{\sqrt{2}}{4}\arctan\left(\frac{2x}{1-x^2}\right) + C

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