以下の6つの不定積分を計算します。 (1) $\int \frac{1}{x\sqrt{1-x}} dx$ (2) $\int \sqrt{\frac{x-1}{x+1}} dx$ (3) $\int \frac{1}{x\sqrt{x^2+x+1}} dx$ (4) $\int \frac{1}{x\sqrt{4x-3-x^2}} dx$ (5) $\int \frac{1}{\cos x} dx$ (6) $\int \frac{\sin x}{1+\sin x} dx$

解析学不定積分置換積分部分分数分解三角関数の積分
2025/7/26
はい、承知いたしました。問題文に書かれている6つの積分を解きます。

1. 問題の内容

以下の6つの不定積分を計算します。
(1) 1x1xdx\int \frac{1}{x\sqrt{1-x}} dx
(2) x1x+1dx\int \sqrt{\frac{x-1}{x+1}} dx
(3) 1xx2+x+1dx\int \frac{1}{x\sqrt{x^2+x+1}} dx
(4) 1x4x3x2dx\int \frac{1}{x\sqrt{4x-3-x^2}} dx
(5) 1cosxdx\int \frac{1}{\cos x} dx
(6) sinx1+sinxdx\int \frac{\sin x}{1+\sin x} dx

2. 解き方の手順

(1) 1x1xdx\int \frac{1}{x\sqrt{1-x}} dx
u=1xu = \sqrt{1-x} と置換すると、u2=1xu^2 = 1-x より、x=1u2x = 1-u^2。また、dx=2ududx = -2u \, du
したがって、
1x1xdx=1(1u2)u(2u)du=21u2du=2(1u)(1+u)du\int \frac{1}{x\sqrt{1-x}} dx = \int \frac{1}{(1-u^2)u} (-2u) \, du = \int \frac{-2}{1-u^2} du = \int \frac{-2}{(1-u)(1+u)} du
部分分数分解すると、2(1u)(1+u)=A1u+B1+u\frac{-2}{(1-u)(1+u)} = \frac{A}{1-u} + \frac{B}{1+u}
2=A(1+u)+B(1u)-2 = A(1+u) + B(1-u)u=1u=1のとき 2=2AA=1-2 = 2A \Rightarrow A=-1u=1u=-1のとき 2=2BB=1-2 = 2B \Rightarrow B=-1
21u2du=(11u+11+u)du=(11u11+u)du=ln1uln1+u+C=ln1u1+u+C=ln11x1+1x+C\int \frac{-2}{1-u^2} du = \int \left(\frac{-1}{1-u} + \frac{-1}{1+u}\right) du = \int \left(\frac{-1}{1-u} - \frac{1}{1+u}\right) du = \ln|1-u| - \ln|1+u| + C = \ln \left| \frac{1-u}{1+u} \right| + C = \ln \left| \frac{1-\sqrt{1-x}}{1+\sqrt{1-x}} \right| + C
(2) x1x+1dx\int \sqrt{\frac{x-1}{x+1}} dx
x1x+1dx=(x1)2(x+1)(x1)dx=x1x21dx=xx21dx1x21dx\int \sqrt{\frac{x-1}{x+1}} dx = \int \sqrt{\frac{(x-1)^2}{(x+1)(x-1)}} dx = \int \frac{x-1}{\sqrt{x^2-1}} dx = \int \frac{x}{\sqrt{x^2-1}} dx - \int \frac{1}{\sqrt{x^2-1}} dx
xx21dx\int \frac{x}{\sqrt{x^2-1}} dx について、u=x21u = x^2-1 と置換すると、du=2xdxdu = 2x dx より、xx21dx=12duu=12(2u)=x21\int \frac{x}{\sqrt{x^2-1}} dx = \frac{1}{2} \int \frac{du}{\sqrt{u}} = \frac{1}{2} (2\sqrt{u}) = \sqrt{x^2-1}
1x21dx=cosh1(x)=lnx+x21\int \frac{1}{\sqrt{x^2-1}} dx = \cosh^{-1}(x) = \ln|x + \sqrt{x^2-1}|
したがって、x1x+1dx=x21lnx+x21+C\int \sqrt{\frac{x-1}{x+1}} dx = \sqrt{x^2-1} - \ln|x + \sqrt{x^2-1}| + C
(3) 1xx2+x+1dx\int \frac{1}{x\sqrt{x^2+x+1}} dx
x=1tx = \frac{1}{t} と置換すると、dx=1t2dtdx = -\frac{1}{t^2} dt
1xx2+x+1dx=11t1t2+1t+1(1t2)dt=t1+t+t2t2(1t2)dt=t21+t+t2(1t2)dt=1t2+t+1dt=1(t+12)2+34dt\int \frac{1}{x\sqrt{x^2+x+1}} dx = \int \frac{1}{\frac{1}{t} \sqrt{\frac{1}{t^2} + \frac{1}{t} + 1}} \left( -\frac{1}{t^2} \right) dt = \int \frac{t}{\sqrt{\frac{1+t+t^2}{t^2}}} \left( -\frac{1}{t^2} \right) dt = \int \frac{t^2}{\sqrt{1+t+t^2}} \left( -\frac{1}{t^2} \right) dt = -\int \frac{1}{\sqrt{t^2+t+1}} dt = -\int \frac{1}{\sqrt{(t+\frac{1}{2})^2 + \frac{3}{4}}} dt
u=t+12u = t+\frac{1}{2} と置換すると、du=dtdu = dt1u2+34du=sinh1(u34)+C=sinh1(2u3)+C=sinh1(2(t+12)3)+C=sinh1(2(1x+12)3)+C=sinh1(2+xx3)+C=sinh1(2+xx3)+C=ln2+xx3+(2+x)23x2+1+C-\int \frac{1}{\sqrt{u^2 + \frac{3}{4}}} du = -\sinh^{-1} \left(\frac{u}{\sqrt{\frac{3}{4}}} \right) + C = -\sinh^{-1} \left( \frac{2u}{\sqrt{3}} \right) + C = -\sinh^{-1} \left( \frac{2(t+\frac{1}{2})}{\sqrt{3}} \right) + C = -\sinh^{-1} \left( \frac{2(\frac{1}{x}+\frac{1}{2})}{\sqrt{3}} \right) + C = -\sinh^{-1} \left( \frac{\frac{2+x}{x}}{\sqrt{3}} \right) + C = -\sinh^{-1} \left( \frac{2+x}{x\sqrt{3}} \right) + C = -\ln \left| \frac{2+x}{x\sqrt{3}} + \sqrt{\frac{(2+x)^2}{3x^2}+1} \right| + C
(4) 1x4x3x2dx=1x1(x2)2dx\int \frac{1}{x\sqrt{4x-3-x^2}} dx = \int \frac{1}{x\sqrt{1-(x-2)^2}} dx
x2=sinθx-2 = \sin \theta と置換すると、x=sinθ+2x = \sin \theta + 2dx=cosθdθdx = \cos \theta \, d\theta
1(sinθ+2)1sin2θcosθdθ=cosθ(sinθ+2)cosθdθ=1sinθ+2dθ\int \frac{1}{(\sin \theta+2)\sqrt{1-\sin^2 \theta}} \cos \theta \, d\theta = \int \frac{\cos \theta}{(\sin \theta + 2)\cos \theta} d\theta = \int \frac{1}{\sin \theta + 2} d\theta
t=tanθ2t = \tan \frac{\theta}{2} と置換すると、sinθ=2t1+t2\sin \theta = \frac{2t}{1+t^2}, dθ=21+t2dtd\theta = \frac{2}{1+t^2} dt
12t1+t2+221+t2dt=12t+2+2t21+t221+t2dt=22t2+2t+2dt=1t2+t+1dt=1(t+12)2+34dt=23arctan2t+13+C=23arctan2tan(θ2)+13+C=23arctan2tan(arcsin(x2)2)+13+C\int \frac{1}{\frac{2t}{1+t^2} + 2} \frac{2}{1+t^2} dt = \int \frac{1}{\frac{2t+2+2t^2}{1+t^2}} \frac{2}{1+t^2} dt = \int \frac{2}{2t^2+2t+2} dt = \int \frac{1}{t^2+t+1} dt = \int \frac{1}{(t+\frac{1}{2})^2+\frac{3}{4}} dt = \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan \frac{2t+1}{\sqrt{3}} + C = \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan \frac{2\tan(\frac{\theta}{2})+1}{\sqrt{3}} + C = \frac{2}{\sqrt{3}} \arctan \frac{2\tan(\frac{\arcsin(x-2)}{2})+1}{\sqrt{3}} + C
(5) 1cosxdx=secxdx=lnsecx+tanx+C\int \frac{1}{\cos x} dx = \int \sec x \, dx = \ln|\sec x + \tan x| + C
(6) sinx1+sinxdx=sinx(1sinx)(1+sinx)(1sinx)dx=sinxsin2x1sin2xdx=sinxsin2xcos2xdx=sinxcos2xdxsin2xcos2xdx=secxtanxdxtan2xdx=secxtanxdx(sec2x1)dx=secxtanx+x+C\int \frac{\sin x}{1+\sin x} dx = \int \frac{\sin x(1-\sin x)}{(1+\sin x)(1-\sin x)} dx = \int \frac{\sin x - \sin^2 x}{1-\sin^2 x} dx = \int \frac{\sin x - \sin^2 x}{\cos^2 x} dx = \int \frac{\sin x}{\cos^2 x} dx - \int \frac{\sin^2 x}{\cos^2 x} dx = \int \sec x \tan x \, dx - \int \tan^2 x \, dx = \int \sec x \tan x \, dx - \int (\sec^2 x - 1) dx = \sec x - \tan x + x + C

3. 最終的な答え

(1) ln11x1+1x+C\ln \left| \frac{1-\sqrt{1-x}}{1+\sqrt{1-x}} \right| + C
(2) x21lnx+x21+C\sqrt{x^2-1} - \ln|x + \sqrt{x^2-1}| + C
(3) ln2+xx3+(2+x)23x2+1+C-\ln \left| \frac{2+x}{x\sqrt{3}} + \sqrt{\frac{(2+x)^2}{3x^2}+1} \right| + C
(4) 23arctan2tan(arcsin(x2)2)+13+C\frac{2}{\sqrt{3}} \arctan \frac{2\tan(\frac{\arcsin(x-2)}{2})+1}{\sqrt{3}} + C
(5) lnsecx+tanx+C\ln|\sec x + \tan x| + C
(6) secxtanx+x+C\sec x - \tan x + x + C

「解析学」の関連問題

$\tan^{-1}(\tan(\frac{2}{3}\pi))$ の値を求める問題です。

三角関数逆三角関数tan値域
2025/7/26

問題2.2.1では、逆三角関数の値を求める問題です。具体的には、 (1) $cos^{-1}(-\frac{1}{2})$ (2) $tan^{-1}(tan(\frac{3}{4}\pi))$ (3...

逆三角関数三角関数計算等式
2025/7/26

関数 $f(x) = x^3 - 9x^2 + 15x + 7$ について、以下の問いに答えます。 (1) $f(x)$ の増減を調べ、極値を求め、極値をとる $x$ の値を求めます。 (2) $k$...

微分極値増減三次関数方程式の解
2025/7/26

定積分 $\int_{\frac{1}{2}}^{\frac{5}{4}} \sqrt{18x-8} \, dx$ を計算します。

定積分置換積分不定積分計算
2025/7/26

数列 $\{a_n\}$ の初項から第 $n$ 項までの和 $S_n$ が $S_n = 2^{n+1} - n - 2$ で与えられているとき、以下の問いに答えます。 (1) 数列 $\{a_n\}...

数列級数等比数列和の公式
2025/7/26

放物線 $C: y = -x^2 + 3$ について、以下の問題を解きます。 (1) 点 $(1,6)$ から $C$ に引いた接線の方程式を求めます。 (2) (1) で求めた2本の接線と $C$ ...

放物線接線積分面積
2025/7/26

媒介変数 $t$ を用いて $x = t^2 e^{2t}$ および $y = (t^2 + t + 1)e^t$ と表されるとき、$\frac{dy}{dx}$ を計算する問題です。画像の計算過程に...

微分媒介変数表示合成関数の微分
2025/7/26

与えられた関数 $y = (\log_e x)^x$ の微分 $y'$ を求める問題です。ここで、$\log_e x$ は自然対数を表します。

微分合成関数の微分対数関数自然対数
2025/7/26

関数 $y = (x+1)\log_e(x(x+1))$ の導関数 $y' = \frac{dy}{dx}$ を求めます。

導関数微分対数関数
2025/7/26

画像に示された数学の問題は、微分、n次導関数の表示、および極限を求める問題を含みます。具体的には以下の通りです。 (1) $(x^2 + x + 1)^5$ の微分 (2) $\sin^2 x - \...

微分n次導関数極限合成関数の微分ライプニッツの公式ロピタルの定理
2025/7/26