与えられた12個の関数をそれぞれ積分する。

解析学積分定積分置換積分三角関数指数関数対数関数
2025/7/25

1. 問題の内容

与えられた12個の関数をそれぞれ積分する。

2. 解き方の手順

(1) (x3)(2x1)=2x27x+3(x-3)(2x-1) = 2x^2 - 7x + 3
(2x27x+3)dx=23x372x2+3x+C\int (2x^2 - 7x + 3) dx = \frac{2}{3}x^3 - \frac{7}{2}x^2 + 3x + C
(2) (x+1x)2=x2+2+1x2(x + \frac{1}{x})^2 = x^2 + 2 + \frac{1}{x^2}
(x2+2+1x2)dx=13x3+2x1x+C\int (x^2 + 2 + \frac{1}{x^2}) dx = \frac{1}{3}x^3 + 2x - \frac{1}{x} + C
(3) (x1)x2x2\frac{(x-1)\sqrt{x}-2}{x^2}
この関数は積分が難しい。まず、積分記号内に現れるx\sqrt{x}ttと置換して、x=t2x=t^2なので、dx=2tdtdx = 2t dt。すると、積分は次のようになります。
(t21)t2t42tdt=2t3t2t3dt=2(11t22t3)dt=2(t+1t+1t2)+C=2x+2x+1x+C\int \frac{(t^2-1)t-2}{t^4} 2t dt = 2 \int \frac{t^3 - t - 2}{t^3} dt = 2 \int (1 - \frac{1}{t^2} - \frac{2}{t^3}) dt = 2(t + \frac{1}{t} + \frac{1}{t^2}) + C = 2\sqrt{x} + \frac{2}{\sqrt{x}} + \frac{1}{x} + C.
(4) (ex+ex)2=e2x+2+e2x(e^x + e^{-x})^2 = e^{2x} + 2 + e^{-2x}
(e2x+2+e2x)dx=12e2x+2x12e2x+C\int (e^{2x} + 2 + e^{-2x}) dx = \frac{1}{2}e^{2x} + 2x - \frac{1}{2}e^{-2x} + C
(5) 2x+1+3x+1=22x+33x2^{x+1} + 3^{x+1} = 2 \cdot 2^x + 3 \cdot 3^x
(22x+33x)dx=2ln22x+3ln33x+C\int (2 \cdot 2^x + 3 \cdot 3^x) dx = \frac{2}{\ln 2} 2^x + \frac{3}{\ln 3} 3^x + C
(6) 1cos2xsin2x=sin2x+cos2xcos2xsin2x=1cos2x+1sin2x=sec2x+csc2x\frac{1}{\cos^2 x \sin^2 x} = \frac{\sin^2 x + \cos^2 x}{\cos^2 x \sin^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x} + \frac{1}{\sin^2 x} = \sec^2 x + \csc^2 x
(sec2x+csc2x)dx=tanxcotx+C\int (\sec^2 x + \csc^2 x) dx = \tan x - \cot x + C
(7) cos2x2\frac{\cos^2 x}{2}
cos2x2dx=12cos2xdx=121+cos2x2dx=14(1+cos2x)dx=14(x+12sin2x)+C=14x+18sin2x+C\int \frac{\cos^2 x}{2} dx = \frac{1}{2} \int \cos^2 x dx = \frac{1}{2} \int \frac{1 + \cos 2x}{2} dx = \frac{1}{4} \int (1 + \cos 2x) dx = \frac{1}{4} (x + \frac{1}{2} \sin 2x) + C = \frac{1}{4}x + \frac{1}{8} \sin 2x + C
(8) sin3x=sinx(1cos2x)=sinxsinxcos2x\sin^3 x = \sin x (1 - \cos^2 x) = \sin x - \sin x \cos^2 x
sin3xdx=(sinxsinxcos2x)dx=cosx+13cos3x+C\int \sin^3 x dx = \int (\sin x - \sin x \cos^2 x) dx = -\cos x + \frac{1}{3} \cos^3 x + C
(9) sinxcos2x=sinx(cos2xsin2x)=sinxcos2xsin3x=sinxcos2xsinx(1cos2x)=2sinxcos2xsinx\sin x \cos 2x = \sin x (\cos^2 x - \sin^2 x) = \sin x \cos^2 x - \sin^3 x = \sin x \cos^2 x - \sin x (1 - \cos^2 x) = 2 \sin x \cos^2 x - \sin x
(sinxcos2x)dx=(2sinxcos2xsinx)dx=23cos3x+cosx+C\int (\sin x \cos 2x) dx = \int (2 \sin x \cos^2 x - \sin x) dx = -\frac{2}{3} \cos^3 x + \cos x + C
(10) 1tan2x=cot2x=csc2x1\frac{1}{\tan^2 x} = \cot^2 x = \csc^2 x - 1
cot2xdx=(csc2x1)dx=cotxx+C\int \cot^2 x dx = \int (\csc^2 x - 1) dx = -\cot x - x + C
(11) x+x21xx21=(x+x21)2x2(x21)=x2+2xx21+x21=2x21+2xx21\frac{x + \sqrt{x^2 - 1}}{x - \sqrt{x^2 - 1}} = \frac{(x + \sqrt{x^2 - 1})^2}{x^2 - (x^2 - 1)} = x^2 + 2x \sqrt{x^2 - 1} + x^2 - 1 = 2x^2 - 1 + 2x \sqrt{x^2 - 1}
x+x21xx21dx=(2x21+2xx21)dx=23x3x+23(x21)3/2+C\int \frac{x + \sqrt{x^2 - 1}}{x - \sqrt{x^2 - 1}} dx = \int (2x^2 - 1 + 2x \sqrt{x^2 - 1}) dx = \frac{2}{3}x^3 - x + \frac{2}{3}(x^2 - 1)^{3/2} + C
(12) 1+x2+1x21x4\frac{\sqrt{1 + x^2} + \sqrt{1 - x^2}}{\sqrt{1 - x^4}}
1+x2+1x21x4dx=1+x2+1x2(1x2)(1+x2)dx=1+x2(1x2)(1+x2)dx+1x2(1x2)(1+x2)dx=11x2dx+11+x2dx=arcsinx+arcsinh x+C=arcsinx+ln(x+x2+1)+C\int \frac{\sqrt{1 + x^2} + \sqrt{1 - x^2}}{\sqrt{1 - x^4}} dx = \int \frac{\sqrt{1 + x^2} + \sqrt{1 - x^2}}{\sqrt{(1 - x^2)(1 + x^2)}} dx = \int \frac{\sqrt{1 + x^2}}{\sqrt{(1 - x^2)(1 + x^2)}} dx + \int \frac{\sqrt{1 - x^2}}{\sqrt{(1 - x^2)(1 + x^2)}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} dx + \int \frac{1}{\sqrt{1 + x^2}} dx = \arcsin x + \text{arcsinh } x + C = \arcsin x + \ln(x + \sqrt{x^2 + 1}) + C

3. 最終的な答え

(1) 23x372x2+3x+C\frac{2}{3}x^3 - \frac{7}{2}x^2 + 3x + C
(2) 13x3+2x1x+C\frac{1}{3}x^3 + 2x - \frac{1}{x} + C
(3) 2x+2x+1x+C2\sqrt{x} + \frac{2}{\sqrt{x}} + \frac{1}{x} + C
(4) 12e2x+2x12e2x+C\frac{1}{2}e^{2x} + 2x - \frac{1}{2}e^{-2x} + C
(5) 2ln22x+3ln33x+C\frac{2}{\ln 2} 2^x + \frac{3}{\ln 3} 3^x + C
(6) tanxcotx+C\tan x - \cot x + C
(7) 14x+18sin2x+C\frac{1}{4}x + \frac{1}{8} \sin 2x + C
(8) cosx+13cos3x+C-\cos x + \frac{1}{3} \cos^3 x + C
(9) 23cos3x+cosx+C-\frac{2}{3} \cos^3 x + \cos x + C
(10) cotxx+C-\cot x - x + C
(11) 23x3x+23(x21)3/2+C\frac{2}{3}x^3 - x + \frac{2}{3}(x^2 - 1)^{3/2} + C
(12) arcsinx+ln(x+x2+1)+C\arcsin x + \ln(x + \sqrt{x^2 + 1}) + C

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