次の不定積分を計算します。 $\int \frac{x}{(1+x)\sqrt{x^2 - x + 1}} dx$

解析学不定積分置換積分積分
2025/7/19
## (7) の問題

1. 問題の内容

次の不定積分を計算します。
x(1+x)x2x+1dx\int \frac{x}{(1+x)\sqrt{x^2 - x + 1}} dx

2. 解き方の手順

x=1tx = \frac{1}{t} と置換します。すると dx=1t2dtdx = -\frac{1}{t^2}dt となります。
x(1+x)x2x+1dx=1t(1+1t)1t21t+1(1t2)dt\int \frac{x}{(1+x)\sqrt{x^2 - x + 1}} dx = \int \frac{\frac{1}{t}}{(1+\frac{1}{t})\sqrt{\frac{1}{t^2} - \frac{1}{t} + 1}} (-\frac{1}{t^2}) dt
=1t(t+1t)1t+t2t2(1t2)dt=1t(t+1t)1t+t2t(1t2)dt= \int \frac{\frac{1}{t}}{(\frac{t+1}{t})\sqrt{\frac{1-t+t^2}{t^2}}} (-\frac{1}{t^2}) dt = \int \frac{\frac{1}{t}}{(\frac{t+1}{t})\frac{\sqrt{1-t+t^2}}{|t|}} (-\frac{1}{t^2}) dt
ここで、x>0x > 0 、つまり t>0t > 0 のとき、t=t|t| = t となるので
=1(t+11)1t+t21(1t2)1tdt=1t+111t+t2(1t)dt = \int \frac{1}{(\frac{t+1}{1})\frac{\sqrt{1-t+t^2}}{1}} (-\frac{1}{t^2}) \frac{1}{t} dt = \int \frac{1}{t+1} \frac{1}{\sqrt{1-t+t^2}} (-\frac{1}{t}) dt
=1(t+1)t2t+1dt= -\int \frac{1}{(t+1)\sqrt{t^2-t+1}}dt
次に、t+1=1ut+1 = \frac{1}{u} と置換すると、t=1u1=1uut = \frac{1}{u} - 1 = \frac{1-u}{u}dt=1u2dudt = -\frac{1}{u^2}du となります。
1(t+1)t2t+1dt=11u(1uu)21uu+1(1u2)du-\int \frac{1}{(t+1)\sqrt{t^2-t+1}}dt = -\int \frac{1}{\frac{1}{u} \sqrt{(\frac{1-u}{u})^2 - \frac{1-u}{u} + 1}} (-\frac{1}{u^2}) du
=11u12u+u2u(1u)+u2u2(1u2)du=11u13u+3u2u(1u2)du= \int \frac{1}{\frac{1}{u} \sqrt{\frac{1-2u+u^2 - u(1-u) + u^2}{u^2}}} (\frac{1}{u^2}) du = \int \frac{1}{\frac{1}{u} \frac{\sqrt{1-3u+3u^2}}{u}} (\frac{1}{u^2}) du
=u23u23u+11u2du=13u23u+1du=131u2u+13du= \int \frac{u^2}{\sqrt{3u^2 - 3u + 1}} \frac{1}{u^2} du = \int \frac{1}{\sqrt{3u^2 - 3u + 1}} du = \frac{1}{\sqrt{3}}\int \frac{1}{\sqrt{u^2 - u + \frac{1}{3}}}du
=131(u12)2+1314du=131(u12)2+112du= \frac{1}{\sqrt{3}}\int \frac{1}{\sqrt{(u - \frac{1}{2})^2 + \frac{1}{3} - \frac{1}{4}}}du = \frac{1}{\sqrt{3}}\int \frac{1}{\sqrt{(u-\frac{1}{2})^2 + \frac{1}{12}}}du
w=u12w = u - \frac{1}{2} とすると、dw=dudw = du となり
=131w2+112dw=13sinh1(w112)+C= \frac{1}{\sqrt{3}}\int \frac{1}{\sqrt{w^2 + \frac{1}{12}}} dw = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} ( \frac{w}{\frac{1}{\sqrt{12}}} ) + C
=13sinh1(12w)+C=13sinh1(12(u12))+C=13sinh1(12(1t+112))+C= \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12} w) + C = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12}(u-\frac{1}{2})) + C = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12}(\frac{1}{t+1} - \frac{1}{2})) + C
=13sinh1(12(11x+112))+C=13sinh1(12(x1+x12))+C= \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12}(\frac{1}{\frac{1}{x}+1} - \frac{1}{2})) + C = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12}(\frac{x}{1+x} - \frac{1}{2})) + C
=13sinh1(12(2x(1+x)2(1+x)))+C=13sinh1(12(x12(1+x)))+C=13sinh1(3(x1)1+x)+C= \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12}(\frac{2x-(1+x)}{2(1+x)})) + C = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\sqrt{12}(\frac{x-1}{2(1+x)})) + C = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} ( \frac{\sqrt{3}(x-1)}{1+x}) + C

3. 最終的な答え

x(1+x)x2x+1dx=13sinh1(3(x1)x+1)+C\int \frac{x}{(1+x)\sqrt{x^2 - x + 1}} dx = \frac{1}{\sqrt{3}} \sinh^{-1} (\frac{\sqrt{3}(x-1)}{x+1}) + C
## (8) の問題

1. 問題の内容

次の不定積分を計算します。
1(1+x)2+xx2dx\int \frac{1}{(1+x)\sqrt{2+x-x^2}} dx

2. 解き方の手順

2+xx2=(x2x2)=((x12)2142)=((x12)294)=94(x12)22+x-x^2 = -(x^2 - x - 2) = -( (x - \frac{1}{2})^2 - \frac{1}{4} - 2 ) = -( (x - \frac{1}{2})^2 - \frac{9}{4}) = \frac{9}{4} - (x-\frac{1}{2})^2
x+1=32sin(θ)+12+1=32sin(θ)+32 x+1 = \frac{3}{2} \sin(\theta) + \frac{1}{2} + 1 = \frac{3}{2} \sin(\theta) + \frac{3}{2}
x=1tx = \frac{1}{t}と置換すると、dx=1t2dtdx = -\frac{1}{t^2} dt
1(1+x)2+xx2dx=1(1+1t)2+1t1t2(1t2)dt\int \frac{1}{(1+x)\sqrt{2+x-x^2}} dx = \int \frac{1}{(1+\frac{1}{t})\sqrt{2+\frac{1}{t}-\frac{1}{t^2}}} (-\frac{1}{t^2}) dt
=1(t+1t)2t2+t1t2(1t2)dt=1t+1t2t2+t1t(1t2)dt=t2(t+1)2t2+t1(1t2)dt=1(t+1)2t2+t1dt= \int \frac{1}{(\frac{t+1}{t})\sqrt{\frac{2t^2+t-1}{t^2}}} (-\frac{1}{t^2}) dt = \int \frac{1}{\frac{t+1}{t} \frac{\sqrt{2t^2+t-1}}{|t|}}(-\frac{1}{t^2}) dt = \int \frac{t^2}{(t+1)\sqrt{2t^2+t-1}} (-\frac{1}{t^2})dt = -\int \frac{1}{(t+1)\sqrt{2t^2+t-1}} dt

3. 最終的な答え

解法が不明なため、解答できません。

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