与えられた問題は、次の定積分の値を求めることです。 $\int_{0}^{\infty} \frac{dx}{x^4 + 4}$

解析学定積分積分部分分数分解因数分解
2025/7/22

1. 問題の内容

与えられた問題は、次の定積分の値を求めることです。
0dxx4+4\int_{0}^{\infty} \frac{dx}{x^4 + 4}

2. 解き方の手順

まず、x4+4x^4 + 4 を因数分解します。
x4+4=x4+4x2+44x2=(x2+2)2(2x)2=(x2+2x+2)(x22x+2)x^4 + 4 = x^4 + 4x^2 + 4 - 4x^2 = (x^2 + 2)^2 - (2x)^2 = (x^2 + 2x + 2)(x^2 - 2x + 2)
次に、被積分関数を部分分数分解します。
1x4+4=Ax+Bx2+2x+2+Cx+Dx22x+2\frac{1}{x^4 + 4} = \frac{Ax + B}{x^2 + 2x + 2} + \frac{Cx + D}{x^2 - 2x + 2}
両辺に x4+4x^4 + 4 を掛けると、
1=(Ax+B)(x22x+2)+(Cx+D)(x2+2x+2)1 = (Ax + B)(x^2 - 2x + 2) + (Cx + D)(x^2 + 2x + 2)
1=Ax32Ax2+2Ax+Bx22Bx+2B+Cx3+2Cx2+2Cx+Dx2+2Dx+2D1 = Ax^3 - 2Ax^2 + 2Ax + Bx^2 - 2Bx + 2B + Cx^3 + 2Cx^2 + 2Cx + Dx^2 + 2Dx + 2D
1=(A+C)x3+(2A+B+2C+D)x2+(2A2B+2C+2D)x+(2B+2D)1 = (A+C)x^3 + (-2A + B + 2C + D)x^2 + (2A - 2B + 2C + 2D)x + (2B + 2D)
係数を比較すると、
A+C=0A+C = 0
2A+B+2C+D=0-2A + B + 2C + D = 0
2A2B+2C+2D=02A - 2B + 2C + 2D = 0
2B+2D=12B + 2D = 1
A=CA = -C, B+D=12B+D = \frac{1}{2}
2A+B2A+D=0    4A+B+D=0    4A+12=0    A=18-2A + B - 2A + D = 0 \implies -4A + B + D = 0 \implies -4A + \frac{1}{2} = 0 \implies A = \frac{1}{8}
2A2B2A+2D=0    2B+2D=0    B=D2A - 2B - 2A + 2D = 0 \implies -2B + 2D = 0 \implies B = D
B=D=14B = D = \frac{1}{4}
A=18A = \frac{1}{8}, C=18C = -\frac{1}{8}, B=14B = \frac{1}{4}, D=14D = \frac{1}{4}
1x4+4=18x+14x2+2x+2+18x+14x22x+2\frac{1}{x^4 + 4} = \frac{\frac{1}{8}x + \frac{1}{4}}{x^2 + 2x + 2} + \frac{-\frac{1}{8}x + \frac{1}{4}}{x^2 - 2x + 2}
1x4+4=18(x+2x2+2x+2+x+2x22x+2)\frac{1}{x^4 + 4} = \frac{1}{8} \left( \frac{x + 2}{x^2 + 2x + 2} + \frac{-x + 2}{x^2 - 2x + 2} \right)
1x4+4=18(x+1x2+2x+2+1(x+1)2+1+x+1x22x+2+1(x1)2+1)\frac{1}{x^4 + 4} = \frac{1}{8} \left( \frac{x + 1}{x^2 + 2x + 2} + \frac{1}{(x+1)^2 + 1} + \frac{-x + 1}{x^2 - 2x + 2} + \frac{1}{(x-1)^2 + 1} \right)
01x4+4dx=180(x+1(x+1)2+1+x+1(x1)2+1)dx\int_{0}^{\infty} \frac{1}{x^4 + 4} dx = \frac{1}{8} \int_{0}^{\infty} \left( \frac{x + 1}{(x+1)^2 + 1} + \frac{-x + 1}{(x-1)^2 + 1} \right) dx
x+1x2+2x+2dx=12ln(x2+2x+2)\int \frac{x+1}{x^2 + 2x + 2} dx = \frac{1}{2} \ln(x^2 + 2x + 2)
x+1x22x+2dx=12ln(x22x+2)\int \frac{-x+1}{x^2 - 2x + 2} dx = -\frac{1}{2} \ln(x^2 - 2x + 2)
0dxx4+4=18[12ln(x2+2x+2)12ln(x22x+2)]0\int_{0}^{\infty} \frac{dx}{x^4 + 4} = \frac{1}{8} \left[ \frac{1}{2} \ln(x^2 + 2x + 2) - \frac{1}{2} \ln(x^2 - 2x + 2) \right]_{0}^{\infty}
=116[ln(x2+2x+2x22x+2)]0= \frac{1}{16} \left[ \ln \left( \frac{x^2 + 2x + 2}{x^2 - 2x + 2} \right) \right]_{0}^{\infty}
limxln(x2+2x+2x22x+2)=ln1=0\lim_{x \to \infty} \ln \left( \frac{x^2 + 2x + 2}{x^2 - 2x + 2} \right) = \ln 1 = 0
ln(0+0+200+2)=ln1=0\ln \left( \frac{0 + 0 + 2}{0 - 0 + 2} \right) = \ln 1 = 0
1(x1)2+1dx=arctan(x1)\int \frac{1}{(x-1)^2 + 1} dx = \arctan(x-1)
1(x+1)2+1dx=arctan(x+1)\int \frac{1}{(x+1)^2 + 1} dx = \arctan(x+1)
0dxx4+4=18[arctan(x+1)arctan(1x)]0\int_{0}^{\infty} \frac{dx}{x^4 + 4} = \frac{1}{8} \left[ \arctan(x+1) - \arctan(1-x) \right]_{0}^{\infty}
=18[(π2(π2))(π4π4)]=18(π0)= \frac{1}{8} \left[ \left( \frac{\pi}{2} - \left( -\frac{\pi}{2} \right) \right) - \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{4} \right) \right] = \frac{1}{8} \left( \pi - 0 \right)
=18[12arctan(x+1)+12arctan(x1)]0= \frac{1}{8} \left[ \frac{1}{2} \arctan(x+1) + \frac{1}{2}\arctan(x-1)\right]_0^\infty
x4+4=(x2+2x+2)(x22x+2)x^4 + 4 = (x^2 + 2x + 2)(x^2 - 2x + 2)
Let x=2ux = 2u then dx=2dudx = 2du.
02du16u4+4=120du4u4+1\int_0^{\infty} \frac{2du}{16u^4 + 4} = \frac{1}{2} \int_0^{\infty} \frac{du}{4u^4 + 1}
We have the formula 0dxx4+a4=π22a3\int_0^\infty \frac{dx}{x^4 + a^4} = \frac{\pi}{2\sqrt{2} a^3}
0dxx4+4=0dxx4+22=π22(2)32=π42=π2822=π216\int_0^\infty \frac{dx}{x^4 + 4} = \int_0^\infty \frac{dx}{x^4 + 2^2} = \frac{\pi}{2\sqrt{2}(2)^{\frac{3}{2}}} = \frac{\pi}{4\sqrt{2}} = \frac{\pi \sqrt{2}}{8\sqrt{2}\sqrt{2}} = \frac{\pi \sqrt{2}}{16}
Here a4=4a^4 = 4 so a=2a = \sqrt{2}.
0dxx4+4=π42\int_0^{\infty} \frac{dx}{x^4 + 4} = \frac{\pi}{4 \sqrt{2}}

3. 最終的な答え

π8\frac{\pi}{8}

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