与えられた4つの不定積分を計算します。 (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三角関数積分
2025/7/23
はい、承知いたしました。画像の問題を解きます。

1. 問題の内容

与えられた4つの不定積分を計算します。
(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^2 より dx=2tdtdx = 2t dt.
t1+t2tdt=2t21+tdt=2t21+11+tdt=2(t1+11+t)dt\int \frac{t}{1+t} 2t dt = 2\int \frac{t^2}{1+t} dt = 2\int \frac{t^2-1+1}{1+t} dt = 2\int (t-1 + \frac{1}{1+t}) dt
=2(t22t+ln1+t)+C=t22t+2ln1+t+C=x2x+2ln(1+x)+C= 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 と置換すると、x2+1=t22tx+x2x^2+1 = t^2 - 2tx + x^2 より 2tx=t212tx = t^2 - 1.
x=t212tx = \frac{t^2-1}{2t}, 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}.
dx=2t(2t)(t21)24t2dt=4t22t2+24t2dt=2t2+24t2dt=t2+12t2dtdx = \frac{2t(2t) - (t^2-1)2}{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.
11+t2+12tt2+12t2dt=2t2t+t2+1t2+12t2dt=2t(t+1)2(t+1)(t1)2(t21)+2t2+12t2dt=1(t+1)2t2+1tdt=t2+1(t+1)2t2+12t2dt\int \frac{1}{1+\frac{t^2+1}{2t}} \frac{t^2+1}{2t^2}dt = \int \frac{2t}{2t+t^2+1} \frac{t^2+1}{2t^2}dt = \int \frac{2t}{(t+1)^2} \frac{(t+1)(t-1)}{2(t^2-1)+2} \frac{t^2+1}{2t^2}dt = \int \frac{1}{(t+1)^2}\frac{t^2+1}{t} dt = \int \frac{t^2+1}{(t+1)^2}\frac{t^2+1}{2t^2} dt
11+x2+1dx=11+x2+11x2+11x2+1dx=1x2+11(x2+1)dx=1x2+1x2dx=(1x2+x2+1x2)dx\int \frac{1}{1+\sqrt{x^2+1}} dx = \int \frac{1}{1+\sqrt{x^2+1}} \frac{1-\sqrt{x^2+1}}{1-\sqrt{x^2+1}} dx = \int \frac{1-\sqrt{x^2+1}}{1-(x^2+1)} dx = \int \frac{1-\sqrt{x^2+1}}{-x^2} dx = \int (-\frac{1}{x^2} + \frac{\sqrt{x^2+1}}{x^2}) dx.
(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.
1sin2θ1sin2θcosθdθ=1sin2θcosθcosθdθ=1sin2θdθ=csc2θdθ=cotθ+C=1x2x+C\int \frac{1}{\sin^2 \theta \sqrt{1-\sin^2 \theta}} \cos \theta d\theta = \int \frac{1}{\sin^2 \theta \cos \theta} \cos \theta d\theta = \int \frac{1}{\sin^2 \theta} d\theta = \int \csc^2 \theta d\theta = -\cot \theta + C = -\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.
(asinθ)2a2(asinθ)2acosθdθ=a2sin2θa2(1sin2θ)acosθdθ=a2sin2θacosθacosθdθ=a4sin2θcos2θdθ=a4(sinθcosθ)2dθ=a4(12sin2θ)2dθ=a44sin22θdθ=a441cos4θ2dθ=a48(1cos4θ)dθ=a48(θ14sin4θ)+C=a48(θ142sin2θcos2θ)+C=a48(θ12(2sinθcosθ)(cos2θsin2θ))+C=a48(θsinθcosθ(cos2θsin2θ))+C=a48(arcsin(xa)xaa2x2a(a2x2a2x2a2))+C=a48(arcsin(xa)xa2x2a2(a22x2a2))+C=a48arcsin(xa)xa2x2(a22x2)8+C\int (a\sin \theta)^2 \sqrt{a^2 - (a\sin \theta)^2} a\cos \theta d\theta = \int a^2\sin^2 \theta \sqrt{a^2(1-\sin^2 \theta)} a\cos \theta d\theta = \int a^2 \sin^2 \theta a\cos \theta 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 = \frac{a^4}{8}(\theta - \frac{1}{4} 2\sin 2\theta \cos 2\theta) + C = \frac{a^4}{8} (\theta - \frac{1}{2} (2\sin \theta \cos \theta) (\cos^2 \theta - \sin^2 \theta)) + C = \frac{a^4}{8} (\theta - \sin \theta \cos \theta (\cos^2 \theta - \sin^2 \theta)) + C = \frac{a^4}{8} (\arcsin(\frac{x}{a}) - \frac{x}{a}\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{a} (\frac{a^2-x^2}{a^2} - \frac{x^2}{a^2})) + C = \frac{a^4}{8} (\arcsin(\frac{x}{a}) - \frac{x\sqrt{a^2-x^2}}{a^2}(\frac{a^2-2x^2}{a^2})) + C = \frac{a^4}{8} \arcsin(\frac{x}{a}) - \frac{x\sqrt{a^2-x^2}(a^2-2x^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) 解けませんでした。
(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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