1. $\int \frac{1}{\cos x} dx$

解析学積分三角関数置換積分部分分数分解
2025/7/17
はい、承知いたしました。3つの積分問題を解きます。

1. 問題の内容

1. $\int \frac{1}{\cos x} dx$

2. $\int \frac{1}{2 + 3 \cos x} dx$

3. $\int \frac{\sin x}{2(1 + \sin x)} dx$

2. 解き方の手順

1. $\int \frac{1}{\cos x} dx$ の積分

1cosx=cosxcos2x=cosx1sin2x\frac{1}{\cos x} = \frac{\cos x}{\cos^2 x} = \frac{\cos x}{1 - \sin^2 x}
u=sinxu = \sin x と置換すると、du=cosxdxdu = \cos x dx なので、
1cosxdx=cosx1sin2xdx=11u2du\int \frac{1}{\cos x} dx = \int \frac{\cos x}{1 - \sin^2 x} dx = \int \frac{1}{1 - u^2} du
11u2=1(1u)(1+u)=A1u+B1+u\frac{1}{1 - u^2} = \frac{1}{(1 - u)(1 + u)} = \frac{A}{1 - u} + \frac{B}{1 + u}
1=A(1+u)+B(1u)1 = A(1 + u) + B(1 - u)
u=1u = 1 のとき、1=2A1 = 2A より A=12A = \frac{1}{2}
u=1u = -1 のとき、1=2B1 = 2B より B=12B = \frac{1}{2}
11u2du=12(11u+11+u)du=12(ln1u+ln1+u)+C=12ln1+u1u+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
12ln1+sinx1sinx+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}{1 - \sin x}| + 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

2. $\int \frac{1}{2 + 3 \cos x} dx$ の積分

t=tanx2t = \tan \frac{x}{2} と置換する。
cosx=1t21+t2\cos x = \frac{1 - t^2}{1 + t^2}dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1 + t^2} dt
12+3cosxdx=12+31t21+t221+t2dt=12(1+t2)+3(1t2)1+t221+t2dt=22+2t2+33t2dt=25t2dt\int \frac{1}{2 + 3 \cos x} dx = \int \frac{1}{2 + 3 \frac{1 - t^2}{1 + t^2}} \frac{2}{1 + t^2} dt = \int \frac{1}{\frac{2(1 + t^2) + 3(1 - t^2)}{1 + t^2}} \frac{2}{1 + t^2} dt = \int \frac{2}{2 + 2t^2 + 3 - 3t^2} dt = \int \frac{2}{5 - t^2} dt
25t2=2(5t)(5+t)=A5t+B5+t\frac{2}{5 - t^2} = \frac{2}{(\sqrt{5} - t)(\sqrt{5} + t)} = \frac{A}{\sqrt{5} - t} + \frac{B}{\sqrt{5} + t}
2=A(5+t)+B(5t)2 = A(\sqrt{5} + t) + B(\sqrt{5} - t)
t=5t = \sqrt{5} のとき、2=25A2 = 2\sqrt{5}A より A=15A = \frac{1}{\sqrt{5}}
t=5t = -\sqrt{5} のとき、2=25B2 = 2\sqrt{5}B より B=15B = \frac{1}{\sqrt{5}}
25t2dt=15(15t+15+t)dt=15(ln5+tln5t)+C=15ln5+t5t+C\int \frac{2}{5 - t^2} dt = \frac{1}{\sqrt{5}} \int (\frac{1}{\sqrt{5} - t} + \frac{1}{\sqrt{5} + t}) dt = \frac{1}{\sqrt{5}} (\ln|\sqrt{5} + t| - \ln|\sqrt{5} - t|) + C = \frac{1}{\sqrt{5}} \ln|\frac{\sqrt{5} + t}{\sqrt{5} - t}| + C
15ln5+tanx25tanx2+C\frac{1}{\sqrt{5}} \ln|\frac{\sqrt{5} + \tan \frac{x}{2}}{\sqrt{5} - \tan \frac{x}{2}}| + C

3. $\int \frac{\sin x}{2(1 + \sin x)} dx$ の積分

sinx2(1+sinx)dx=12sinx1+sinxdx=12sinx(1sinx)(1+sinx)(1sinx)dx=12sinxsin2x1sin2xdx=12sinxsin2xcos2xdx\int \frac{\sin x}{2(1 + \sin x)} dx = \frac{1}{2} \int \frac{\sin x}{1 + \sin x} dx = \frac{1}{2} \int \frac{\sin x (1 - \sin x)}{(1 + \sin x)(1 - \sin x)} dx = \frac{1}{2} \int \frac{\sin x - \sin^2 x}{1 - \sin^2 x} dx = \frac{1}{2} \int \frac{\sin x - \sin^2 x}{\cos^2 x} dx
=12(sinxcos2xsin2xcos2x)dx=12(secxtanxtan2x)dx=12(secxtanx(sec2x1))dx=12(secxtanxsec2x+1)dx= \frac{1}{2} \int (\frac{\sin x}{\cos^2 x} - \frac{\sin^2 x}{\cos^2 x}) dx = \frac{1}{2} \int (\sec x \tan x - \tan^2 x) dx = \frac{1}{2} \int (\sec x \tan x - (\sec^2 x - 1)) dx = \frac{1}{2} \int (\sec x \tan x - \sec^2 x + 1) dx
=12(secxtanx+x)+C= \frac{1}{2} (\sec x - \tan x + x) + C

3. 最終的な答え

1. $\int \frac{1}{\cos x} dx = \ln|\sec x + \tan x| + C$

2. $\int \frac{1}{2 + 3 \cos x} dx = \frac{1}{\sqrt{5}} \ln|\frac{\sqrt{5} + \tan \frac{x}{2}}{\sqrt{5} - \tan \frac{x}{2}}| + C$

3. $\int \frac{\sin x}{2(1 + \sin x)} dx = \frac{1}{2} (\sec x - \tan x + x) + C$

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