次の6つの関数の不定積分を求める問題です。 (1) $f(x) = \frac{2x-3}{x^3+x^2-2}$ (2) $f(x) = e^{3x} \sin x$ (3) $f(x) = x e^{x^2}$ (4) $f(x) = \frac{1}{(1-x)\sqrt{1+x}}$ (5) $f(x) = x^2 e^x$ (6) $f(x) = \frac{x^4}{x^2+1}$

解析学不定積分部分分数分解部分積分置換積分
2025/7/28

1. 問題の内容

次の6つの関数の不定積分を求める問題です。
(1) f(x)=2x3x3+x22f(x) = \frac{2x-3}{x^3+x^2-2}
(2) f(x)=e3xsinxf(x) = e^{3x} \sin x
(3) f(x)=xex2f(x) = x e^{x^2}
(4) f(x)=1(1x)1+xf(x) = \frac{1}{(1-x)\sqrt{1+x}}
(5) f(x)=x2exf(x) = x^2 e^x
(6) f(x)=x4x2+1f(x) = \frac{x^4}{x^2+1}

2. 解き方の手順

(1) 部分分数分解を用いる。x3+x22=(x1)(x2+2x+2)x^3+x^2-2 = (x-1)(x^2+2x+2) より、
2x3(x1)(x2+2x+2)=Ax1+Bx+Cx2+2x+2\frac{2x-3}{(x-1)(x^2+2x+2)} = \frac{A}{x-1} + \frac{Bx+C}{x^2+2x+2}
とおき、A, B, C を求める。
2x3=A(x2+2x+2)+(Bx+C)(x1)=(A+B)x2+(2AB+C)x+(2AC)2x-3 = A(x^2+2x+2) + (Bx+C)(x-1) = (A+B)x^2 + (2A-B+C)x + (2A-C)
係数を比較して、
A+B=0A+B = 0, 2AB+C=22A-B+C=2, 2AC=32A-C = -3
この連立方程式を解くと、A=1/5A=-1/5, B=1/5B=1/5, C=13/5C=-13/5 となる。
よって、
2x3x3+x22dx=(15(x1)+x135(x2+2x+2))dx=151x1dx+15x13x2+2x+2dx\int \frac{2x-3}{x^3+x^2-2} dx = \int (-\frac{1}{5(x-1)} + \frac{x-13}{5(x^2+2x+2)}) dx = -\frac{1}{5} \int \frac{1}{x-1} dx + \frac{1}{5} \int \frac{x-13}{x^2+2x+2} dx
x2+2x+2=(x+1)2+1x^2+2x+2 = (x+1)^2 + 1 より、x+1=ux+1=u とおくと、x=u1x = u-1, dx=dudx = du
x13x2+2x+2=u14u2+1\frac{x-13}{x^2+2x+2} = \frac{u-14}{u^2+1}
u14u2+1du=uu2+1du141u2+1du=12log(u2+1)14arctan(u)\int \frac{u-14}{u^2+1} du = \int \frac{u}{u^2+1} du - 14 \int \frac{1}{u^2+1} du = \frac{1}{2} \log(u^2+1) - 14 \arctan(u)
=12log((x+1)2+1)14arctan(x+1)=12log(x2+2x+2)14arctan(x+1)=\frac{1}{2} \log((x+1)^2+1) - 14 \arctan(x+1) = \frac{1}{2} \log(x^2+2x+2) - 14 \arctan(x+1)
最終的に、
2x3x3+x22dx=15logx1+110log(x2+2x+2)145arctan(x+1)+C\int \frac{2x-3}{x^3+x^2-2} dx = -\frac{1}{5} \log|x-1| + \frac{1}{10} \log(x^2+2x+2) - \frac{14}{5} \arctan(x+1) + C
(2) 部分積分を2回行う。I=e3xsinxdxI = \int e^{3x} \sin x dx とおく。
I=e3xsinxdx=e3x(cosx)3e3x(cosx)dx=e3xcosx+3e3xcosxdxI = \int e^{3x} \sin x dx = e^{3x}(-\cos x) - \int 3e^{3x} (-\cos x) dx = -e^{3x}\cos x + 3 \int e^{3x} \cos x dx
=e3xcosx+3(e3xsinx3e3xsinxdx)=e3xcosx+3e3xsinx9e3xsinxdx=e3xcosx+3e3xsinx9I= -e^{3x}\cos x + 3 (e^{3x}\sin x - \int 3e^{3x} \sin x dx) = -e^{3x}\cos x + 3 e^{3x}\sin x - 9 \int e^{3x} \sin x dx = -e^{3x}\cos x + 3 e^{3x}\sin x - 9I
10I=e3x(3sinxcosx)10I = e^{3x}(3\sin x - \cos x)
I=e3x(3sinxcosx)10+CI = \frac{e^{3x}(3\sin x - \cos x)}{10} + C
(3) 置換積分を行う。u=x2u = x^2 とおくと、du=2xdxdu = 2x dx, xdx=12duxdx = \frac{1}{2}du
xex2dx=eu12du=12eu+C=12ex2+C\int xe^{x^2} dx = \int e^u \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} e^u + C = \frac{1}{2} e^{x^2} + C
(4) 置換積分を行う。t=1+xt = \sqrt{1+x} とおくと、t2=1+xt^2 = 1+x, x=t21x = t^2 - 1, dx=2tdtdx = 2t dt, 1x=1(t21)=2t21-x = 1-(t^2-1) = 2-t^2
1(1x)1+xdx=1(2t2)t2tdt=212t2dt=21(2t)(2+t)dt=2122(12t+12+t)dt\int \frac{1}{(1-x)\sqrt{1+x}} dx = \int \frac{1}{(2-t^2)t} 2t dt = 2\int \frac{1}{2-t^2} dt = 2 \int \frac{1}{(\sqrt{2}-t)(\sqrt{2}+t)} dt = 2 \int \frac{1}{2\sqrt{2}}(\frac{1}{\sqrt{2}-t} + \frac{1}{\sqrt{2}+t}) dt
=12(12t+12+t)dt=12(log2t+log2+t)+C=12log2+t2t+C= \frac{1}{\sqrt{2}} \int (\frac{1}{\sqrt{2}-t} + \frac{1}{\sqrt{2}+t}) dt = \frac{1}{\sqrt{2}} (-\log|\sqrt{2}-t| + \log|\sqrt{2}+t|) + C = \frac{1}{\sqrt{2}} \log|\frac{\sqrt{2}+t}{\sqrt{2}-t}| + C
=12log2+1+x21+x+C= \frac{1}{\sqrt{2}} \log|\frac{\sqrt{2}+\sqrt{1+x}}{\sqrt{2}-\sqrt{1+x}}| + C
(5) 部分積分を2回行う。
x2exdx=x2ex2xexdx=x2ex2(xexexdx)=x2ex2xex+2ex+C=ex(x22x+2)+C\int x^2 e^x dx = x^2 e^x - \int 2x e^x dx = x^2 e^x - 2 (xe^x - \int e^x dx) = x^2 e^x - 2xe^x + 2e^x + C = e^x (x^2 - 2x + 2) + C
(6) 割り算を行う。
x4x2+1=x41+1x2+1=(x21)(x2+1)+1x2+1=x21+1x2+1\frac{x^4}{x^2+1} = \frac{x^4-1+1}{x^2+1} = \frac{(x^2-1)(x^2+1)+1}{x^2+1} = x^2-1 + \frac{1}{x^2+1}
x4x2+1dx=(x21+1x2+1)dx=x33x+arctan(x)+C\int \frac{x^4}{x^2+1} dx = \int (x^2-1 + \frac{1}{x^2+1}) dx = \frac{x^3}{3} - x + \arctan(x) + C

3. 最終的な答え

(1) 2x3x3+x22dx=15logx1+110log(x2+2x+2)145arctan(x+1)+C\int \frac{2x-3}{x^3+x^2-2} dx = -\frac{1}{5} \log|x-1| + \frac{1}{10} \log(x^2+2x+2) - \frac{14}{5} \arctan(x+1) + C
(2) e3xsinxdx=e3x(3sinxcosx)10+C\int e^{3x} \sin x dx = \frac{e^{3x}(3\sin x - \cos x)}{10} + C
(3) xex2dx=12ex2+C\int xe^{x^2} dx = \frac{1}{2} e^{x^2} + C
(4) 1(1x)1+xdx=12log2+1+x21+x+C\int \frac{1}{(1-x)\sqrt{1+x}} dx = \frac{1}{\sqrt{2}} \log|\frac{\sqrt{2}+\sqrt{1+x}}{\sqrt{2}-\sqrt{1+x}}| + C
(5) x2exdx=ex(x22x+2)+C\int x^2 e^x dx = e^x (x^2 - 2x + 2) + C
(6) x4x2+1dx=x33x+arctan(x)+C\int \frac{x^4}{x^2+1} dx = \frac{x^3}{3} - x + \arctan(x) + C

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