与えられた18個の関数の不定積分を求める問題です。

解析学不定積分積分置換積分部分積分三角関数対数関数逆三角関数有理関数ルート
2025/7/23

1. 問題の内容

与えられた18個の関数の不定積分を求める問題です。

2. 解き方の手順

各関数の不定積分を求めます。積分定数は省略します。
(1) x(2x+1)8dx\int x(2x+1)^8 dx
t=2x+1t = 2x+1 と置換すると、x=t12x = \frac{t-1}{2}dx=dt2dx = \frac{dt}{2} より、
t12t8dt2=14(t9t8)dt=14(t1010t99)=14((2x+1)1010(2x+1)99)=(2x+1)1040(2x+1)936\int \frac{t-1}{2} t^8 \frac{dt}{2} = \frac{1}{4} \int (t^9 - t^8) dt = \frac{1}{4} (\frac{t^{10}}{10} - \frac{t^9}{9}) = \frac{1}{4} (\frac{(2x+1)^{10}}{10} - \frac{(2x+1)^9}{9}) = \frac{(2x+1)^{10}}{40} - \frac{(2x+1)^9}{36}
(2) sin(3x+1)dx=13cos(3x+1)\int \sin(3x+1) dx = -\frac{1}{3} \cos(3x+1)
(3) (logx)2xdx\int \frac{(\log x)^2}{x} dx
t=logxt = \log x と置換すると、dt=1xdxdt = \frac{1}{x} dx より、
t2dt=t33=(logx)33\int t^2 dt = \frac{t^3}{3} = \frac{(\log x)^3}{3}
(4) ex1+exdx\int \frac{e^x}{1+e^x} dx
t=1+ext = 1+e^x と置換すると、dt=exdxdt = e^x dx より、
1tdt=logt=log(1+ex)\int \frac{1}{t} dt = \log |t| = \log (1+e^x)
(5) xlogxdx=x22logxx221xdx=x22logxx2dx=x22logxx24\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}
(6) xtan1xdx=x22tan1xx2211+x2dx=x22tan1x12x2+11x2+1dx=x22tan1x12(11x2+1)dx=x22tan1x12(xtan1x)=x2+12tan1xx2\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+1-1}{x^2+1} dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{1}{2} \int (1 - \frac{1}{x^2+1}) dx = \frac{x^2}{2} \tan^{-1} x - \frac{1}{2} (x - \tan^{-1} x) = \frac{x^2+1}{2} \tan^{-1} x - \frac{x}{2}
(7) 1x22x3dx=1(x3)(x+1)dx=1/4x31/4x+1dx=14logx314logx+1=14logx3x+1\int \frac{1}{x^2-2x-3} dx = \int \frac{1}{(x-3)(x+1)} 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| = \frac{1}{4} \log |\frac{x-3}{x+1}|
(8) 1x4+1dx\int \frac{1}{x^4+1} dx
(9) 1x21dx=1/2x11/2x+1dx=12logx112logx+1=12logx1x+1\int \frac{1}{x^2-1} dx = \int \frac{1/2}{x-1} - \frac{1/2}{x+1} dx = \frac{1}{2} \log |x-1| - \frac{1}{2} \log |x+1| = \frac{1}{2} \log |\frac{x-1}{x+1}|
(10) 1(x2+1)(x2+4)dx=1/3x2+11/3x2+4dx=13tan1x16tan1x2\int \frac{1}{(x^2+1)(x^2+4)} dx = \int \frac{1/3}{x^2+1} - \frac{1/3}{x^2+4} dx = \frac{1}{3} \tan^{-1} x - \frac{1}{6} \tan^{-1} \frac{x}{2}
(11) x+3x2+x+4dx=122x+1+5x2+x+4dx=12log(x2+x+4)+521x2+x+4dx=12log(x2+x+4)+521(x+1/2)2+15/4dx=12log(x2+x+4)+52215tan12x+115=12log(x2+x+4)+515tan12x+115\int \frac{x+3}{x^2+x+4} dx = \frac{1}{2} \int \frac{2x+1+5}{x^2+x+4} dx = \frac{1}{2} \log (x^2+x+4) + \frac{5}{2} \int \frac{1}{x^2+x+4} dx = \frac{1}{2} \log (x^2+x+4) + \frac{5}{2} \int \frac{1}{(x+1/2)^2 + 15/4} dx = \frac{1}{2} \log (x^2+x+4) + \frac{5}{2} \frac{2}{\sqrt{15}} \tan^{-1} \frac{2x+1}{\sqrt{15}} = \frac{1}{2} \log (x^2+x+4) + \frac{5}{\sqrt{15}} \tan^{-1} \frac{2x+1}{\sqrt{15}}
(12) sinx2+tan2xdx=sinx2+sin2xcos2xdx=sinxcos2x2cos2x+sin2xdx=sinxcos2x2cos2x+(1cos2x)dx=sinxcos2xcos2x+1dx\int \frac{\sin x}{2+\tan^2 x} dx = \int \frac{\sin x}{2 + \frac{\sin^2 x}{\cos^2 x}} dx = \int \frac{\sin x \cos^2 x}{2\cos^2 x + \sin^2 x} dx = \int \frac{\sin x \cos^2 x}{2\cos^2 x + (1-\cos^2 x)} dx = \int \frac{\sin x \cos^2 x}{\cos^2 x + 1} dx
t=cosxt = \cos x と置換すると、dt=sinxdxdt = -\sin x dx より、
t2t2+1dt=(11t2+1)dt=(ttan1t)=(cosxtan1(cosx))=tan1(cosx)cosx\int \frac{-t^2}{t^2+1} dt = -\int (1 - \frac{1}{t^2+1}) dt = -(t - \tan^{-1} t) = -(\cos x - \tan^{-1} (\cos x)) = \tan^{-1} (\cos x) - \cos x
(13) cos3xsin2xdx=cosx(1sin2x)sin2xdx=cosxsin2xcosxdx\int \frac{\cos^3 x}{\sin^2 x} dx = \int \frac{\cos x (1-\sin^2 x)}{\sin^2 x} dx = \int \frac{\cos x}{\sin^2 x} - \cos x dx
t=sinxt = \sin x と置換すると、dt=cosxdxdt = \cos x dx より、
1t2dt=1tsinx=1sinxsinx\int \frac{1}{t^2} - dt = -\frac{1}{t} - \sin x = -\frac{1}{\sin x} - \sin x
(14) sin(logx)dx=xsin(logx)xcos(logx)1xdx=xsin(logx)cos(logx)dx=xsin(logx)(xcos(logx)+x(sin(logx))1xdx)=xsin(logx)xcos(logx)sin(logx)dx\int \sin (\log x) dx = x \sin (\log x) - \int x \cos (\log x) \frac{1}{x} dx = x \sin (\log x) - \int \cos (\log x) dx = x \sin (\log x) - (x \cos (\log x) + \int x (-\sin (\log x)) \frac{1}{x} dx) = x \sin (\log x) - x \cos (\log x) - \int \sin (\log x) dx
2sin(logx)dx=xsin(logx)xcos(logx)2 \int \sin (\log x) dx = x \sin (\log x) - x \cos (\log x)
sin(logx)dx=x2(sin(logx)cos(logx))\int \sin (\log x) dx = \frac{x}{2} (\sin (\log x) - \cos (\log x))
(15) tan1xdx=xtan1xx1+x12xdx\int \tan^{-1} \sqrt{x} dx = x \tan^{-1} \sqrt{x} - \int \frac{x}{1+x} \frac{1}{2\sqrt{x}} dx
(16) 1x1+x2dx\int \frac{1}{x \sqrt{1+x^2}} dx
t=1xt = \frac{1}{x} と置換すると、x=1tx = \frac{1}{t}dx=dtt2dx = -\frac{dt}{t^2} より、
11t1+1t2(dtt2)=11tt2+1t(dtt2)=1t2+1t2dtt2=dtt2+1=sinh1t=sinh11x=log(1x+1x2+1)=log(1+1+x2x)=logx1+1+x2\int \frac{1}{\frac{1}{t} \sqrt{1+\frac{1}{t^2}}} (-\frac{dt}{t^2}) = \int \frac{1}{\frac{1}{t} \frac{\sqrt{t^2+1}}{t}} (-\frac{dt}{t^2}) = -\int \frac{1}{\frac{\sqrt{t^2+1}}{t^2}} \frac{dt}{t^2} = -\int \frac{dt}{\sqrt{t^2+1}} = -\sinh^{-1} t = -\sinh^{-1} \frac{1}{x} = -\log (\frac{1}{x} + \sqrt{\frac{1}{x^2}+1}) = -\log (\frac{1+\sqrt{1+x^2}}{x}) = \log \frac{x}{1+\sqrt{1+x^2}}
(17) 1+logxxdx\int \frac{\sqrt{1+\log x}}{x} dx
t=1+logxt = 1 + \log x と置換すると、dt=1xdxdt = \frac{1}{x} dx より、
tdt=23t3/2=23(1+logx)3/2\int \sqrt{t} dt = \frac{2}{3} t^{3/2} = \frac{2}{3} (1+\log x)^{3/2}
(18) 4xx2dx=4(x2)2dx\int \sqrt{4x-x^2} dx = \int \sqrt{4 - (x-2)^2} dx
x2=2sinθx-2 = 2\sin \theta と置換すると、dx=2cosθdθdx = 2\cos \theta d\theta より、
44sin2θ2cosθdθ=2cosθ2cosθdθ=4cos2θdθ=41+cos2θ2dθ=2(θ+sin2θ2)=2θ+sin2θ=2θ+2sinθcosθ=2θ+2sinθ1sin2θ=2arcsinx22+2x221(x22)2=2arcsinx22+(x2)4(x2)22=2arcsinx22+(x2)24xx2\int \sqrt{4 - 4\sin^2 \theta} 2\cos \theta d\theta = \int 2\cos \theta 2\cos \theta d\theta = 4\int \cos^2 \theta d\theta = 4\int \frac{1+\cos 2\theta}{2} d\theta = 2 (\theta + \frac{\sin 2\theta}{2}) = 2\theta + \sin 2\theta = 2\theta + 2\sin \theta \cos \theta = 2\theta + 2\sin \theta \sqrt{1-\sin^2 \theta} = 2\arcsin \frac{x-2}{2} + 2 \frac{x-2}{2} \sqrt{1 - (\frac{x-2}{2})^2} = 2\arcsin \frac{x-2}{2} + (x-2) \frac{\sqrt{4-(x-2)^2}}{2} = 2\arcsin \frac{x-2}{2} + \frac{(x-2)}{2} \sqrt{4x-x^2}

3. 最終的な答え

(1) (2x+1)1040(2x+1)936\frac{(2x+1)^{10}}{40} - \frac{(2x+1)^9}{36}
(2) 13cos(3x+1)-\frac{1}{3} \cos(3x+1)
(3) (logx)33\frac{(\log x)^3}{3}
(4) log(1+ex)\log (1+e^x)
(5) x22logxx24\frac{x^2}{2} \log x - \frac{x^2}{4}
(6) x2+12tan1xx2\frac{x^2+1}{2} \tan^{-1} x - \frac{x}{2}
(7) 14logx3x+1\frac{1}{4} \log |\frac{x-3}{x+1}|
(8) 1x4+1dx\int \frac{1}{x^4+1} dx
(9) 12logx1x+1\frac{1}{2} \log |\frac{x-1}{x+1}|
(10) 13tan1x16tan1x2\frac{1}{3} \tan^{-1} x - \frac{1}{6} \tan^{-1} \frac{x}{2}
(11) 12log(x2+x+4)+515tan12x+115\frac{1}{2} \log (x^2+x+4) + \frac{5}{\sqrt{15}} \tan^{-1} \frac{2x+1}{\sqrt{15}}
(12) tan1(cosx)cosx\tan^{-1} (\cos x) - \cos x
(13) 1sinxsinx-\frac{1}{\sin x} - \sin x
(14) x2(sin(logx)cos(logx))\frac{x}{2} (\sin (\log x) - \cos (\log x))
(15) xtan1xx1+x12xdxx \tan^{-1} \sqrt{x} - \int \frac{x}{1+x} \frac{1}{2\sqrt{x}} dx
(16) logx1+1+x2\log \frac{x}{1+\sqrt{1+x^2}}
(17) 23(1+logx)3/2\frac{2}{3} (1+\log x)^{3/2}
(18) 2arcsinx22+(x2)24xx22\arcsin \frac{x-2}{2} + \frac{(x-2)}{2} \sqrt{4x-x^2}

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