与えられた4つの関数について、不定積分をそれぞれ求める。 (1) $\int \frac{\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}} dx$ (2) $\int \frac{1}{1+\sqrt{x^2+1}} dx$ (3) $\int \frac{1}{x^2\sqrt{1-x^2}} dx$ (4) $\int x^2 \sqrt{a^2 - x^2} dx$

解析学不定積分置換積分部分分数分解三角関数による置換
2025/7/23
## 回答

1. 問題の内容

与えられた4つの関数について、不定積分をそれぞれ求める。
(1) x1+xdx\int \frac{\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}} dx
(2) 11+x2+1dx\int \frac{1}{1+\sqrt{x^2+1}} dx
(3) 1x21x2dx\int \frac{1}{x^2\sqrt{1-x^2}} dx
(4) x2a2x2dx\int x^2 \sqrt{a^2 - x^2} dx

2. 解き方の手順

(1) x1+xdx\int \frac{\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}} dx
x=t\sqrt{x} = t と置換すると、x=t2x = t^2dx=2tdtdx = 2t dtとなる。
x1+xdx=t1+t2tdt=2t21+tdt\int \frac{\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}} dx = \int \frac{t}{1+t} 2t dt = 2 \int \frac{t^2}{1+t} dt
t21+t=t21+11+t=(t1)(t+1)+11+t=t1+11+t\frac{t^2}{1+t} = \frac{t^2-1+1}{1+t} = \frac{(t-1)(t+1)+1}{1+t} = t-1 + \frac{1}{1+t}
よって、
2t21+tdt=2(t1+11+t)dt=2(t22t+ln1+t)+C=t22t+2ln1+t+C=x2x+2ln(1+x)+C2 \int \frac{t^2}{1+t} dt = 2 \int (t-1 + \frac{1}{1+t}) dt = 2(\frac{t^2}{2} - t + \ln|1+t|) + C = t^2 - 2t + 2\ln|1+t| + C = x - 2\sqrt{x} + 2\ln(1+\sqrt{x}) + C
(2) 11+x2+1dx\int \frac{1}{1+\sqrt{x^2+1}} dx
x2+1=tx\sqrt{x^2+1} = t-x と置換する。x2+1=t22tx+x2x^2+1 = t^2-2tx+x^2 より 1=t22tx1 = t^2 - 2tx なので、x=t212tx = \frac{t^2-1}{2t} となる。
dx=2t(2t)2(t21)4t2dt=4t22t2+24t2dt=2t2+24t2dt=t2+12t2dtdx = \frac{2t(2t) - 2(t^2-1)}{4t^2} dt = \frac{4t^2 - 2t^2 + 2}{4t^2} dt = \frac{2t^2 + 2}{4t^2} dt = \frac{t^2+1}{2t^2} dt
また、x2+1=tx=tt212t=2t2t2+12t=t2+12t\sqrt{x^2+1} = t-x = t - \frac{t^2-1}{2t} = \frac{2t^2 - t^2 + 1}{2t} = \frac{t^2+1}{2t}
1+x2+1=1+t2+12t=2t+t2+12t=(t+1)22t1 + \sqrt{x^2+1} = 1 + \frac{t^2+1}{2t} = \frac{2t+t^2+1}{2t} = \frac{(t+1)^2}{2t}
11+x2+1dx=2t(t+1)2t2+12t2dt=t2+1t(t+1)2dt\int \frac{1}{1+\sqrt{x^2+1}} dx = \int \frac{2t}{(t+1)^2} \frac{t^2+1}{2t^2} dt = \int \frac{t^2+1}{t(t+1)^2} dt
部分分数分解を行う。
t2+1t(t+1)2=At+Bt+1+C(t+1)2\frac{t^2+1}{t(t+1)^2} = \frac{A}{t} + \frac{B}{t+1} + \frac{C}{(t+1)^2}
t2+1=A(t+1)2+Bt(t+1)+Ct=A(t2+2t+1)+B(t2+t)+Ctt^2+1 = A(t+1)^2 + Bt(t+1) + Ct = A(t^2+2t+1) + B(t^2+t) + Ct
t2+1=(A+B)t2+(2A+B+C)t+At^2+1 = (A+B)t^2 + (2A+B+C)t + A
A+B=1,2A+B+C=0,A=1A+B = 1, 2A+B+C = 0, A=1
B=0,2+0+C=0,C=2B=0, 2+0+C = 0, C=-2
t2+1t(t+1)2dt=(1t2(t+1)2)dt=lnt+2t+1+C\int \frac{t^2+1}{t(t+1)^2} dt = \int (\frac{1}{t} - \frac{2}{(t+1)^2}) dt = \ln|t| + \frac{2}{t+1} + C
lnx2+1+x+2x2+1+x+1+C\ln|\sqrt{x^2+1}+x| + \frac{2}{\sqrt{x^2+1}+x+1} + C
(3) 1x21x2dx\int \frac{1}{x^2\sqrt{1-x^2}} dx
x=sinθx = \sin\theta と置換すると、dx=cosθdθdx = \cos\theta d\theta
1x21x2dx=cosθsin2θ1sin2θdθ=cosθsin2θcosθdθ=1sin2θdθ=csc2θdθ=cotθ+C\int \frac{1}{x^2\sqrt{1-x^2}} dx = \int \frac{\cos\theta}{\sin^2\theta \sqrt{1-\sin^2\theta}} d\theta = \int \frac{\cos\theta}{\sin^2\theta \cos\theta} d\theta = \int \frac{1}{\sin^2\theta} d\theta = \int \csc^2\theta d\theta = -\cot\theta + C
cotθ=cosθsinθ=1x2x\cot\theta = \frac{\cos\theta}{\sin\theta} = \frac{\sqrt{1-x^2}}{x}
したがって、
1x21x2dx=1x2x+C\int \frac{1}{x^2\sqrt{1-x^2}} dx = -\frac{\sqrt{1-x^2}}{x} + C
(4) x2a2x2dx\int x^2 \sqrt{a^2 - x^2} dx
x=asinθx = a\sin\theta と置換すると、dx=acosθdθdx = a\cos\theta d\theta
x2a2x2dx=a2sin2θa2a2sin2θacosθdθ=a2sin2θacosθacosθdθ=a4sin2θcos2θdθ=a4(sinθcosθ)2dθ=a4(12sin2θ)2dθ=a44sin22θdθ=a441cos4θ2dθ=a48(1cos4θ)dθ=a48(θ14sin4θ)+C\int x^2 \sqrt{a^2 - x^2} dx = \int a^2\sin^2\theta \sqrt{a^2 - a^2\sin^2\theta} a\cos\theta d\theta = \int a^2\sin^2\theta \cdot a\cos\theta \cdot a\cos\theta d\theta = a^4 \int \sin^2\theta \cos^2\theta d\theta = a^4 \int (\sin\theta \cos\theta)^2 d\theta = a^4 \int (\frac{1}{2} \sin 2\theta)^2 d\theta = \frac{a^4}{4} \int \sin^2 2\theta d\theta = \frac{a^4}{4} \int \frac{1 - \cos 4\theta}{2} d\theta = \frac{a^4}{8} \int (1-\cos 4\theta) d\theta = \frac{a^4}{8} (\theta - \frac{1}{4}\sin 4\theta) + C
sin4θ=2sin2θcos2θ=2(2sinθcosθ)(cos2θsin2θ)=4sinθcosθ(cos2θsin2θ)\sin 4\theta = 2\sin 2\theta \cos 2\theta = 2(2\sin\theta\cos\theta)(\cos^2\theta - \sin^2\theta) = 4\sin\theta\cos\theta (\cos^2\theta-\sin^2\theta)
x=asinθx = a\sin\theta より、sinθ=xa\sin\theta = \frac{x}{a}
cosθ=1sin2θ=1x2a2=a2x2a\cos\theta = \sqrt{1-\sin^2\theta} = \sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}} = \frac{\sqrt{a^2-x^2}}{a}
θ=arcsin(xa)\theta = \arcsin(\frac{x}{a})
sin4θ=4xaa2x2a(a2x2a2x2a2)=4xa2x2a2a22x2a2\sin 4\theta = 4\cdot \frac{x}{a} \cdot \frac{\sqrt{a^2-x^2}}{a} \cdot (\frac{a^2-x^2}{a^2} - \frac{x^2}{a^2}) = 4 \frac{x\sqrt{a^2-x^2}}{a^2} \frac{a^2-2x^2}{a^2}
sin4θ=4x(a22x2)a2x2a4\sin 4\theta = \frac{4x(a^2-2x^2)\sqrt{a^2-x^2}}{a^4}
a48(arcsin(xa)144x(a22x2)a2x2a4)+C=a48arcsin(xa)x(a22x2)a2x28+C\frac{a^4}{8}(\arcsin(\frac{x}{a}) - \frac{1}{4} \frac{4x(a^2-2x^2)\sqrt{a^2-x^2}}{a^4}) + C = \frac{a^4}{8}\arcsin(\frac{x}{a}) - \frac{x(a^2-2x^2)\sqrt{a^2-x^2}}{8} + C

3. 最終的な答え

(1) x2x+2ln(1+x)+Cx - 2\sqrt{x} + 2\ln(1+\sqrt{x}) + C
(2) lnx2+1+x+2x2+1+x+1+C\ln|\sqrt{x^2+1}+x| + \frac{2}{\sqrt{x^2+1}+x+1} + C
(3) 1x2x+C-\frac{\sqrt{1-x^2}}{x} + C
(4) a48arcsin(xa)x(a22x2)a2x28+C\frac{a^4}{8}\arcsin(\frac{x}{a}) - \frac{x(a^2-2x^2)\sqrt{a^2-x^2}}{8} + C

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