与えられた複数の関数について、不定積分を求める問題です。$a, b > 0$ は定数です。

解析学不定積分部分分数分解置換積分三角関数積分公式部分積分
2025/7/23

1. 問題の内容

与えられた複数の関数について、不定積分を求める問題です。a,b>0a, b > 0 は定数です。

2. 解き方の手順

(1) 1x24dx\int \frac{1}{x^2 - 4} dx
部分分数分解を行います。
1x24=1(x2)(x+2)=Ax2+Bx+2\frac{1}{x^2 - 4} = \frac{1}{(x-2)(x+2)} = \frac{A}{x-2} + \frac{B}{x+2}
1=A(x+2)+B(x2)1 = A(x+2) + B(x-2)
x=2x = 2 のとき 1=4A1 = 4A より A=14A = \frac{1}{4}
x=2x = -2 のとき 1=4B1 = -4B より B=14B = -\frac{1}{4}
よって、
1x24dx=141x2dx141x+2dx=14lnx214lnx+2+C=14lnx2x+2+C\int \frac{1}{x^2 - 4} dx = \frac{1}{4} \int \frac{1}{x-2} dx - \frac{1}{4} \int \frac{1}{x+2} dx = \frac{1}{4} \ln|x-2| - \frac{1}{4} \ln|x+2| + C = \frac{1}{4} \ln \left| \frac{x-2}{x+2} \right| + C
(2) 1x2+3dx\int \frac{1}{x^2 + 3} dx
これは 1x2+a2dx=1aarctanxa+C\int \frac{1}{x^2 + a^2} dx = \frac{1}{a} \arctan \frac{x}{a} + C の形を利用します。
1x2+3dx=1x2+(3)2dx=13arctanx3+C\int \frac{1}{x^2 + 3} dx = \int \frac{1}{x^2 + (\sqrt{3})^2} dx = \frac{1}{\sqrt{3}} \arctan \frac{x}{\sqrt{3}} + C
(3) xx4+1dx\int \frac{x}{x^4 + 1} dx
u=x2u = x^2 と置換すると du=2xdxdu = 2x dx より xdx=12dux dx = \frac{1}{2} du
xx4+1dx=1u2+112du=121u2+1du=12arctanu+C=12arctan(x2)+C\int \frac{x}{x^4 + 1} dx = \int \frac{1}{u^2 + 1} \cdot \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} \int \frac{1}{u^2 + 1} du = \frac{1}{2} \arctan u + C = \frac{1}{2} \arctan (x^2) + C
(4) 1x2+2x+2dx\int \frac{1}{x^2 + 2x + 2} dx
x2+2x+2=(x+1)2+1x^2 + 2x + 2 = (x+1)^2 + 1 と変形できます。
u=x+1u = x+1 と置換すると du=dxdu = dx
1x2+2x+2dx=1(x+1)2+1dx=1u2+1du=arctanu+C=arctan(x+1)+C\int \frac{1}{x^2 + 2x + 2} dx = \int \frac{1}{(x+1)^2 + 1} dx = \int \frac{1}{u^2 + 1} du = \arctan u + C = \arctan (x+1) + C
(5) 3x2+x+1dx\int \frac{3}{x^2 + x + 1} dx
x2+x+1=(x+12)2+34=(x+12)2+(32)2x^2 + x + 1 = (x + \frac{1}{2})^2 + \frac{3}{4} = (x + \frac{1}{2})^2 + (\frac{\sqrt{3}}{2})^2
u=x+12u = x + \frac{1}{2} と置換すると du=dxdu = dx
3x2+x+1dx=31(x+12)2+(32)2dx=31u2+(32)2du=323arctanu32+C=23arctan2x+13+C\int \frac{3}{x^2 + x + 1} dx = 3 \int \frac{1}{(x + \frac{1}{2})^2 + (\frac{\sqrt{3}}{2})^2} dx = 3 \int \frac{1}{u^2 + (\frac{\sqrt{3}}{2})^2} du = 3 \cdot \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan \frac{u}{\frac{\sqrt{3}}{2}} + C = 2 \sqrt{3} \arctan \frac{2x+1}{\sqrt{3}} + C
(6) x2x2+4dx\int \frac{x^2}{x^2 + 4} dx
x2x2+4=x2+44x2+4=14x2+4\frac{x^2}{x^2+4} = \frac{x^2+4-4}{x^2+4} = 1 - \frac{4}{x^2+4}
x2x2+4dx=(14x2+4)dx=1dx41x2+22dx=x412arctanx2+C=x2arctanx2+C\int \frac{x^2}{x^2 + 4} dx = \int (1 - \frac{4}{x^2+4}) dx = \int 1 dx - 4 \int \frac{1}{x^2+2^2} dx = x - 4 \cdot \frac{1}{2} \arctan \frac{x}{2} + C = x - 2 \arctan \frac{x}{2} + C
(7) 19x2dx\int \frac{1}{\sqrt{9 - x^2}} dx
これは 1a2x2dx=arcsinxa+C\int \frac{1}{\sqrt{a^2 - x^2}} dx = \arcsin \frac{x}{a} + C の形を利用します。
19x2dx=132x2dx=arcsinx3+C\int \frac{1}{\sqrt{9 - x^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{3^2 - x^2}} dx = \arcsin \frac{x}{3} + C
(8) 1x2+2dx\int \frac{1}{\sqrt{x^2 + 2}} dx
これは 1x2+a2dx=arcsinhxa+C=ln(x+x2+a2)+C\int \frac{1}{\sqrt{x^2 + a^2}} dx = \operatorname{arcsinh} \frac{x}{a} + C = \ln(x + \sqrt{x^2 + a^2}) + C の形を利用します。
1x2+2dx=ln(x+x2+2)+C\int \frac{1}{\sqrt{x^2 + 2}} dx = \ln(x + \sqrt{x^2 + 2}) + C
(9) x1+xdx\int \frac{x}{\sqrt{1+x}} dx
u=1+xu = 1+x と置換すると x=u1x = u-1 であり du=dxdu = dx
x1+xdx=u1udu=(u12u12)du=23u322u12+C=23(1+x)322(1+x)12+C=23(1+x)1+x21+x+C=23(x2)1+x+C\int \frac{x}{\sqrt{1+x}} dx = \int \frac{u-1}{\sqrt{u}} du = \int (u^{\frac{1}{2}} - u^{-\frac{1}{2}}) du = \frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}} - 2 u^{\frac{1}{2}} + C = \frac{2}{3} (1+x)^{\frac{3}{2}} - 2 (1+x)^{\frac{1}{2}} + C = \frac{2}{3}(1+x)\sqrt{1+x} - 2\sqrt{1+x} + C = \frac{2}{3} (x-2)\sqrt{1+x} + C
(10) 5x+4dx\int \sqrt{5x + 4} dx
u=5x+4u = 5x + 4 と置換すると du=5dxdu = 5 dx より dx=15dudx = \frac{1}{5} du
5x+4dx=u15du=15u12du=1523u32+C=215(5x+4)32+C\int \sqrt{5x + 4} dx = \int \sqrt{u} \cdot \frac{1}{5} du = \frac{1}{5} \int u^{\frac{1}{2}} du = \frac{1}{5} \cdot \frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}} + C = \frac{2}{15} (5x+4)^{\frac{3}{2}} + C
(11) xx5dx\int x \sqrt{x-5} dx
u=x5u = x-5 と置換すると x=u+5x = u+5 であり du=dxdu = dx
xx5dx=(u+5)udu=(u32+5u12)du=25u52+523u32+C=25(x5)52+103(x5)32+C=25(x5)2x5+103(x5)x5+C=215(3x215)x5+C=215(3x+25)(x5)32+C\int x \sqrt{x-5} dx = \int (u+5) \sqrt{u} du = \int (u^{\frac{3}{2}} + 5 u^{\frac{1}{2}}) du = \frac{2}{5} u^{\frac{5}{2}} + 5 \cdot \frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}} + C = \frac{2}{5} (x-5)^{\frac{5}{2}} + \frac{10}{3} (x-5)^{\frac{3}{2}} + C = \frac{2}{5}(x-5)^2 \sqrt{x-5} + \frac{10}{3}(x-5)\sqrt{x-5} + C = \frac{2}{15}(3x^2 - 15)\sqrt{x-5} + C = \frac{2}{15}(3x+25)(x-5)^{\frac{3}{2}} + C
(12) xa2x2dx\int x \sqrt{a^2 - x^2} dx
u=a2x2u = a^2 - x^2 と置換すると du=2xdxdu = -2x dx より xdx=12dux dx = -\frac{1}{2} du
xa2x2dx=u(12)du=12u12du=1223u32+C=13(a2x2)32+C\int x \sqrt{a^2 - x^2} dx = \int \sqrt{u} \cdot (-\frac{1}{2}) du = -\frac{1}{2} \int u^{\frac{1}{2}} du = -\frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3} u^{\frac{3}{2}} + C = -\frac{1}{3} (a^2 - x^2)^{\frac{3}{2}} + C
(13) xa2x2dx\int \frac{x}{\sqrt{a^2 - x^2}} dx
u=a2x2u = a^2 - x^2 と置換すると du=2xdxdu = -2x dx より xdx=12dux dx = -\frac{1}{2} du
xa2x2dx=1u(12)du=12u12du=122u12+C=a2x2+C\int \frac{x}{\sqrt{a^2 - x^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{u}} \cdot (-\frac{1}{2}) du = -\frac{1}{2} \int u^{-\frac{1}{2}} du = -\frac{1}{2} \cdot 2 u^{\frac{1}{2}} + C = - \sqrt{a^2 - x^2} + C
(14) 1x(1x)dx\int \frac{1}{\sqrt{x(1-x)}} dx
1xx2dx=114(x12)2dx\int \frac{1}{\sqrt{x-x^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{\frac{1}{4} - (x - \frac{1}{2})^2}} dx
u=x12u = x - \frac{1}{2} と置換すると du=dxdu = dx
114(x12)2dx=1(12)2u2du=arcsinu12+C=arcsin(2x1)+C\int \frac{1}{\sqrt{\frac{1}{4} - (x - \frac{1}{2})^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{(\frac{1}{2})^2 - u^2}} du = \arcsin \frac{u}{\frac{1}{2}} + C = \arcsin (2x - 1) + C
(15) x2+a2dx\int \sqrt{x^2 + a^2} dx
これは x2+a2dx=12xx2+a2+12a2arcsinhxa+C=12xx2+a2+12a2ln(x+x2+a2)+C\int \sqrt{x^2 + a^2} dx = \frac{1}{2} x \sqrt{x^2 + a^2} + \frac{1}{2} a^2 \operatorname{arcsinh} \frac{x}{a} + C = \frac{1}{2}x\sqrt{x^2+a^2} + \frac{1}{2}a^2 \ln(x+\sqrt{x^2+a^2}) + C
(16) xlog(x+1+x2)dx\int x \log(x + \sqrt{1 + x^2}) dx
部分積分を行います。u=log(x+1+x2)u = \log(x + \sqrt{1+x^2}), dv=xdxdv = x dx
du=1+x1+x2x+1+x2dx=1+x2+x1+x2x+1+x2dx=11+x2dxdu = \frac{1 + \frac{x}{\sqrt{1+x^2}}}{x + \sqrt{1+x^2}} dx = \frac{\frac{\sqrt{1+x^2} + x}{\sqrt{1+x^2}}}{x + \sqrt{1+x^2}} dx = \frac{1}{\sqrt{1+x^2}} dx
v=12x2v = \frac{1}{2}x^2
xlog(x+1+x2)dx=12x2log(x+1+x2)12x21+x2dx\int x \log(x + \sqrt{1 + x^2}) dx = \frac{1}{2} x^2 \log(x + \sqrt{1 + x^2}) - \int \frac{1}{2} \frac{x^2}{\sqrt{1+x^2}} dx
x21+x2dx=1+x211+x2dx=1+x2dx11+x2dx=12x1+x2+12ln(x+1+x2)ln(x+1+x2)+C=12x1+x212ln(x+1+x2)+C\int \frac{x^2}{\sqrt{1+x^2}} dx = \int \frac{1+x^2 - 1}{\sqrt{1+x^2}} dx = \int \sqrt{1+x^2} dx - \int \frac{1}{\sqrt{1+x^2}} dx = \frac{1}{2}x \sqrt{1+x^2} + \frac{1}{2} \ln (x + \sqrt{1+x^2}) - \ln (x + \sqrt{1+x^2}) + C = \frac{1}{2} x \sqrt{1+x^2} - \frac{1}{2} \ln (x + \sqrt{1+x^2}) + C
xlog(x+1+x2)dx=12x2log(x+1+x2)14x1+x2+14ln(x+1+x2)+C\int x \log(x + \sqrt{1 + x^2}) dx = \frac{1}{2} x^2 \log(x + \sqrt{1 + x^2}) - \frac{1}{4} x \sqrt{1+x^2} + \frac{1}{4} \ln (x + \sqrt{1+x^2}) + C
(17) x2+5x+4(x+2)(x2+2x+2)dx\int \frac{x^2 + 5x + 4}{(x+2)(x^2 + 2x + 2)} dx
x2+5x+4(x+2)(x2+2x+2)=(x+1)(x+4)(x+2)(x2+2x+2)=Ax+2+Bx+Cx2+2x+2\frac{x^2 + 5x + 4}{(x+2)(x^2 + 2x + 2)} = \frac{(x+1)(x+4)}{(x+2)(x^2 + 2x + 2)} = \frac{A}{x+2} + \frac{Bx + C}{x^2+2x+2}
(x+1)(x+4)=A(x2+2x+2)+(Bx+C)(x+2)(x+1)(x+4) = A(x^2+2x+2) + (Bx+C)(x+2)
x=2x = -2 のとき (1)(2)=A(44+2)(-1)(2) = A(4-4+2) より 2A=22A = -2 なので A=1A = -1
x2+5x+4=x22x2+Bx2+2Bx+Cx+2Cx^2+5x+4 = -x^2-2x-2 + Bx^2 + 2Bx + Cx + 2C
2x2+7x+6=Bx2+(2B+C)x+2C2x^2+7x+6 = Bx^2 + (2B+C)x + 2C
B=2B = 2, 2B+C=72B+C = 7 より 4+C=74+C = 7 なので C=3C = 3
x2+5x+4(x+2)(x2+2x+2)dx=(1x+2+2x+3x2+2x+2)dx=1x+2dx+2x+2x2+2x+2dx+1x2+2x+2dx\int \frac{x^2 + 5x + 4}{(x+2)(x^2 + 2x + 2)} dx = \int (\frac{-1}{x+2} + \frac{2x+3}{x^2+2x+2}) dx = -\int \frac{1}{x+2} dx + \int \frac{2x+2}{x^2+2x+2} dx + \int \frac{1}{x^2+2x+2} dx
=lnx+2+lnx2+2x+2+arctan(x+1)+C=lnx2+2x+2x+2+arctan(x+1)+C= - \ln|x+2| + \ln|x^2+2x+2| + \arctan(x+1) + C = \ln\left| \frac{x^2+2x+2}{x+2}\right| + \arctan(x+1) + C
(18) 1xx1dx\int \frac{1}{x \sqrt{x-1}} dx
u=x1u = \sqrt{x-1} と置換すると u2=x1u^2 = x-1 より x=u2+1x = u^2 + 1 であり 2udu=dx2u du = dx
1xx1dx=1(u2+1)u2udu=21u2+1du=2arctanu+C=2arctanx1+C\int \frac{1}{x \sqrt{x-1}} dx = \int \frac{1}{(u^2+1)u} 2u du = 2 \int \frac{1}{u^2+1} du = 2 \arctan u + C = 2 \arctan \sqrt{x-1} + C
(19) exe2x3ex+2dx\int \frac{e^x}{e^{2x} - 3e^x + 2} dx
u=exu = e^x と置換すると du=exdxdu = e^x dx
exe2x3ex+2dx=1u23u+2du=1(u1)(u2)du=(1u1+1u2)du=lnu1+lnu2+C=lnu2u1+C=lnex2ex1+C\int \frac{e^x}{e^{2x} - 3e^x + 2} dx = \int \frac{1}{u^2 - 3u + 2} du = \int \frac{1}{(u-1)(u-2)} du = \int (\frac{-1}{u-1} + \frac{1}{u-2}) du = -\ln|u-1| + \ln|u-2| + C = \ln|\frac{u-2}{u-1}| + C = \ln|\frac{e^x-2}{e^x-1}| + C
(20) cosxsin2x+3sinxdx\int \frac{\cos x}{\sin^2 x + 3 \sin x} dx
u=sinxu = \sin x と置換すると du=cosxdxdu = \cos x dx
cosxsin2x+3sinxdx=1u2+3udu=1u(u+3)du=(13u13(u+3))du=13lnu13lnu+3+C=13lnuu+3+C=13lnsinxsinx+3+C\int \frac{\cos x}{\sin^2 x + 3 \sin x} dx = \int \frac{1}{u^2 + 3u} du = \int \frac{1}{u(u+3)} du = \int (\frac{1}{3u} - \frac{1}{3(u+3)}) du = \frac{1}{3} \ln|u| - \frac{1}{3} \ln|u+3| + C = \frac{1}{3} \ln\left| \frac{u}{u+3}\right| + C = \frac{1}{3} \ln\left| \frac{\sin x}{\sin x + 3} \right| + C
(21) 1a2cos2x+b2sin2xdx\int \frac{1}{a^2 \cos^2 x + b^2 \sin^2 x} dx
1a2cos2x+b2sin2xdx=1cos2x(a2+b2tan2x)dx=1cos2xa2+b2tan2xdx=sec2xa2+b2tan2xdx\int \frac{1}{a^2 \cos^2 x + b^2 \sin^2 x} dx = \int \frac{1}{\cos^2 x (a^2 + b^2 \tan^2 x)} dx = \int \frac{\frac{1}{\cos^2 x}}{a^2 + b^2 \tan^2 x} dx = \int \frac{\sec^2 x}{a^2 + b^2 \tan^2 x} dx
u=tanxu = \tan x と置換すると du=sec2xdxdu = \sec^2 x dx
sec2xa2+b2tan2xdx=1a2+b2u2du=1b21(ab)2+u2du=1b2baarctan(bua)+C=1abarctan(batanx)+C\int \frac{\sec^2 x}{a^2 + b^2 \tan^2 x} dx = \int \frac{1}{a^2 + b^2 u^2} du = \frac{1}{b^2} \int \frac{1}{(\frac{a}{b})^2 + u^2} du = \frac{1}{b^2} \cdot \frac{b}{a} \arctan(\frac{bu}{a}) + C = \frac{1}{ab} \arctan(\frac{b}{a} \tan x) + C

3. 最終的な答え

(1) 14lnx2x+2+C\frac{1}{4} \ln \left| \frac{x-2}{x+2} \right| + C
(2) 13arctanx3+C\frac{1}{\sqrt{3}} \arctan \frac{x}{\sqrt{3}} + C
(3) 12arctan(x2)+C\frac{1}{2} \arctan (x^2) + C
(4) arctan(x+1)+C\arctan (x+1) + C
(5) 23arctan2x+13+C2 \sqrt{3} \arctan \frac{2x+1}{\sqrt{3}} + C
(6) x2arctanx2+Cx - 2 \arctan \frac{x}{2} + C
(7) arcsinx3+C\arcsin \frac{x}{3} + C
(8) ln(x+x2+2)+C\ln(x + \sqrt{x^2 + 2}) + C
(9) 23(x2)1+x+C\frac{2}{3} (x-2)\sqrt{1+x} + C
(10) 215(5x+4)32+C\frac{2}{15} (5x+4)^{\frac{3}{2}} + C
(11) 215(3x+25)(x5)32+C\frac{2}{15}(3x+25)(x-5)^{\frac{3}{2}} + C
(12) 13(a2x2)32+C-\frac{1}{3} (a^2 - x^2)^{\frac{3}{2}} + C
(13) a2x2+C- \sqrt{a^2 - x^2} + C
(14) arcsin(2x1)+C\arcsin (2x - 1) + C
(15) 12xx2+a2+12a2ln(x+x2+a2)+C\frac{1}{2}x\sqrt{x^2+a^2} + \frac{1}{2}a^2 \ln(x+\sqrt{x^2+a^2}) + C
(16) 12x2log(x+1+x2)14x1+x2+14ln(x+1+x2)+C\frac{1}{2} x^2 \log(x + \sqrt{1 + x^2}) - \frac{1}{4} x \sqrt{1+x^2} + \frac{1}{4} \ln (x + \sqrt{1+x^2}) + C
(17) lnx2+2x+2x+2+arctan(x+1)+C\ln\left| \frac{x^2+2x+2}{x+2}\right| + \arctan(x+1) + C
(18) 2arctanx1+C2 \arctan \sqrt{x-1} + C
(19) lnex2ex1+C\ln|\frac{e^x-2}{e^x-1}| + C
(20) 13lnsinxsinx+3+C\frac{1}{3} \ln\left| \frac{\sin x}{\sin x + 3} \right| + C
(21) 1abarctan(batanx)+C\frac{1}{ab} \arctan(\frac{b}{a} \tan x) + C

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