了解しました。問題集の関数積分を求めます。

解析学積分置換積分三角関数
2025/7/25
了解しました。問題集の関数積分を求めます。
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1. 問題の内容**

与えられた関数を積分します。以下はそれぞれの関数です。
(1) 1cos2(3x+1)\frac{1}{\cos^2(3x+1)}
(2) 14(2x+1)2\frac{1}{\sqrt{4-(2x+1)^2}}
(3) 1x2+4x+6\frac{1}{x^2+4x+6}
(4) tanx\tan x
(5) 1+cosxx+sinx\frac{1+\cos x}{x+\sin x}
(6) x2(x3+1)52x^2(x^3+1)^{\frac{5}{2}}
(7) x+1x2+2x+3\frac{x+1}{\sqrt{x^2+2x+3}}
(8) (logx)7x\frac{(\log x)^7}{x}
(9) x1x2\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}
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2. 解き方の手順**

(1) 1cos2(3x+1)=sec2(3x+1)\frac{1}{\cos^2(3x+1)} = \sec^2(3x+1)
sec2(3x+1)dx=13tan(3x+1)+C\int \sec^2(3x+1) dx = \frac{1}{3} \tan(3x+1) + C
(2) 14(2x+1)2\frac{1}{\sqrt{4-(2x+1)^2}}
2x+1=2sinθ2x+1 = 2\sin\theta と置換する.
2dx=2cosθdθdx=cosθdθ2dx = 2\cos\theta d\theta \Rightarrow dx = \cos\theta d\theta
144sin2θcosθdθ=12cosθcosθdθ=12dθ=12θ+C=12arcsin(2x+12)+C\int \frac{1}{\sqrt{4-4\sin^2\theta}}\cos\theta d\theta = \int \frac{1}{2\cos\theta}\cos\theta d\theta = \int \frac{1}{2} d\theta = \frac{1}{2}\theta + C = \frac{1}{2}\arcsin(\frac{2x+1}{2}) + C
(3) 1x2+4x+6=1(x+2)2+2\frac{1}{x^2+4x+6} = \frac{1}{(x+2)^2+2}
1(x+2)2+2dx=12arctan(x+22)+C\int \frac{1}{(x+2)^2+2} dx = \frac{1}{\sqrt{2}} \arctan(\frac{x+2}{\sqrt{2}}) + C
(4) tanx=sinxcosx\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}
tanxdx=sinxcosxdx=logcosx+C\int \tan x dx = \int \frac{\sin x}{\cos x} dx = -\log|\cos x| + C
(5) 1+cosxx+sinx\frac{1+\cos x}{x+\sin x}
1+cosxx+sinxdx=logx+sinx+C\int \frac{1+\cos x}{x+\sin x} dx = \log|x+\sin x| + C
(6) x2(x3+1)52x^2(x^3+1)^{\frac{5}{2}}
u=x3+1u = x^3+1 と置換する.
du=3x2dxx2dx=13dudu = 3x^2 dx \Rightarrow x^2dx = \frac{1}{3}du
x2(x3+1)52dx=13u52du=1327u72+C=221(x3+1)72+C\int x^2(x^3+1)^{\frac{5}{2}} dx = \int \frac{1}{3}u^{\frac{5}{2}} du = \frac{1}{3} \cdot \frac{2}{7} u^{\frac{7}{2}} + C = \frac{2}{21}(x^3+1)^{\frac{7}{2}} + C
(7) x+1x2+2x+3\frac{x+1}{\sqrt{x^2+2x+3}}
u=x2+2x+3u = x^2+2x+3 と置換する.
du=(2x+2)dx(x+1)dx=12dudu = (2x+2) dx \Rightarrow (x+1)dx = \frac{1}{2}du
x+1x2+2x+3dx=12udu=u+C=x2+2x+3+C\int \frac{x+1}{\sqrt{x^2+2x+3}} dx = \int \frac{1}{2\sqrt{u}} du = \sqrt{u} + C = \sqrt{x^2+2x+3} + C
(8) (logx)7x\frac{(\log x)^7}{x}
u=logxu = \log x と置換する.
du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx
(logx)7xdx=u7du=18u8+C=18(logx)8+C\int \frac{(\log x)^7}{x} dx = \int u^7 du = \frac{1}{8}u^8 + C = \frac{1}{8}(\log x)^8 + C
(9) x1x2\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}
u=1x2u = 1-x^2 と置換する.
du=2xdxxdx=12dudu = -2x dx \Rightarrow xdx = -\frac{1}{2}du
x1x2dx=12udu=u+C=1x2+C\int \frac{x}{\sqrt{1-x^2}} dx = \int -\frac{1}{2\sqrt{u}} du = -\sqrt{u} + C = -\sqrt{1-x^2} + C
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3. 最終的な答え**

(1) 13tan(3x+1)+C\frac{1}{3} \tan(3x+1) + C
(2) 12arcsin(2x+12)+C\frac{1}{2}\arcsin(\frac{2x+1}{2}) + C
(3) 12arctan(x+22)+C\frac{1}{\sqrt{2}} \arctan(\frac{x+2}{\sqrt{2}}) + C
(4) logcosx+C-\log|\cos x| + C
(5) logx+sinx+C\log|x+\sin x| + C
(6) 221(x3+1)72+C\frac{2}{21}(x^3+1)^{\frac{7}{2}} + C
(7) x2+2x+3+C\sqrt{x^2+2x+3} + C
(8) 18(logx)8+C\frac{1}{8}(\log x)^8 + C
(9) 1x2+C-\sqrt{1-x^2} + C

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