以下の3つの定積分および広義積分の値を求めます。 (1) $\int_2^3 (x-1)\sqrt{2x-3} \, dx$ (2) $\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{3+2\cos{x}+3\sin{x}} \, dx$ (3) $\int_2^\infty \frac{1}{x^2+2x-3} \, dx$

解析学定積分広義積分置換積分半角の公式部分分数分解
2025/7/30
## 解答

1. 問題の内容

以下の3つの定積分および広義積分の値を求めます。
(1) 23(x1)2x3dx\int_2^3 (x-1)\sqrt{2x-3} \, dx
(2) 0π213+2cosx+3sinxdx\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{3+2\cos{x}+3\sin{x}} \, dx
(3) 21x2+2x3dx\int_2^\infty \frac{1}{x^2+2x-3} \, dx

2. 解き方の手順

(1) 23(x1)2x3dx\int_2^3 (x-1)\sqrt{2x-3} \, dx
置換積分を行います。t=2x3t = 2x - 3 とおくと、x=t+32x = \frac{t+3}{2} であり、dx=12dtdx = \frac{1}{2} dt となります。また、x:23x: 2 \rightarrow 3 のとき、t:13t: 1 \rightarrow 3 となります。
23(x1)2x3dx=13(t+321)t12dt=1413(t+1)tdt\int_2^3 (x-1)\sqrt{2x-3} \, dx = \int_1^3 (\frac{t+3}{2}-1)\sqrt{t} \cdot \frac{1}{2} \, dt = \frac{1}{4} \int_1^3 (t+1)\sqrt{t} \, dt
=1413(t32+t12)dt=14[25t52+23t32]13= \frac{1}{4} \int_1^3 (t^{\frac{3}{2}} + t^{\frac{1}{2}}) \, dt = \frac{1}{4} [\frac{2}{5}t^{\frac{5}{2}} + \frac{2}{3}t^{\frac{3}{2}}]_1^3
=14[(25352+23332)(25+23)]= \frac{1}{4} [(\frac{2}{5}3^{\frac{5}{2}} + \frac{2}{3}3^{\frac{3}{2}}) - (\frac{2}{5} + \frac{2}{3})]
=14[(2593+2333)1615]=14[1835+231615]=14[28351615]= \frac{1}{4} [(\frac{2}{5}9\sqrt{3} + \frac{2}{3}3\sqrt{3}) - \frac{16}{15}] = \frac{1}{4} [\frac{18\sqrt{3}}{5} + 2\sqrt{3} - \frac{16}{15}] = \frac{1}{4} [\frac{28\sqrt{3}}{5} - \frac{16}{15}]
=735415= \frac{7\sqrt{3}}{5} - \frac{4}{15}
(2) 0π213+2cosx+3sinxdx\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{3+2\cos{x}+3\sin{x}} \, dx
半角の公式を利用します。t=tan(x2)t = \tan(\frac{x}{2}) とおくと、dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1+t^2} dtcos(x)=1t21+t2cos(x) = \frac{1-t^2}{1+t^2}sin(x)=2t1+t2sin(x) = \frac{2t}{1+t^2}x:0π2x: 0 \rightarrow \frac{\pi}{2} のとき、t:01t: 0 \rightarrow 1
0π213+2cosx+3sinxdx=0113+2(1t21+t2)+3(2t1+t2)21+t2dt\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{3+2\cos{x}+3\sin{x}} \, dx = \int_0^1 \frac{1}{3+2(\frac{1-t^2}{1+t^2})+3(\frac{2t}{1+t^2})} \cdot \frac{2}{1+t^2} \, dt
=0123(1+t2)+2(1t2)+6tdt=0123+3t2+22t2+6tdt= \int_0^1 \frac{2}{3(1+t^2) + 2(1-t^2) + 6t} \, dt = \int_0^1 \frac{2}{3+3t^2+2-2t^2+6t} \, dt
=012t2+6t+5dt=2011(t+1)(t+5)dt= \int_0^1 \frac{2}{t^2+6t+5} \, dt = 2 \int_0^1 \frac{1}{(t+1)(t+5)} \, dt
部分分数分解します。1(t+1)(t+5)=At+1+Bt+5\frac{1}{(t+1)(t+5)} = \frac{A}{t+1} + \frac{B}{t+5} より、1=A(t+5)+B(t+1)1 = A(t+5) + B(t+1)
t=1t=-1 のとき、1=4AA=141 = 4A \Rightarrow A = \frac{1}{4}
t=5t=-5 のとき、1=4BB=141 = -4B \Rightarrow B = -\frac{1}{4}
2011(t+1)(t+5)dt=201(1/4t+11/4t+5)dt=1201(1t+11t+5)dt2 \int_0^1 \frac{1}{(t+1)(t+5)} \, dt = 2 \int_0^1 (\frac{1/4}{t+1} - \frac{1/4}{t+5}) \, dt = \frac{1}{2} \int_0^1 (\frac{1}{t+1} - \frac{1}{t+5}) \, dt
=12[lnt+1lnt+5]01=12[lnt+1t+5]01=12[(ln(26)ln(15))]=12[ln(13)ln(15)]= \frac{1}{2} [\ln|t+1| - \ln|t+5|]_0^1 = \frac{1}{2} [\ln|\frac{t+1}{t+5}|]_0^1 = \frac{1}{2} [(\ln(\frac{2}{6}) - \ln(\frac{1}{5}))] = \frac{1}{2} [\ln(\frac{1}{3}) - \ln(\frac{1}{5})]
=12ln(53)= \frac{1}{2} \ln(\frac{5}{3})
(3) 21x2+2x3dx\int_2^\infty \frac{1}{x^2+2x-3} \, dx
21x2+2x3dx=21(x+3)(x1)dx\int_2^\infty \frac{1}{x^2+2x-3} \, dx = \int_2^\infty \frac{1}{(x+3)(x-1)} \, dx
部分分数分解します。1(x+3)(x1)=Ax+3+Bx1\frac{1}{(x+3)(x-1)} = \frac{A}{x+3} + \frac{B}{x-1} より、1=A(x1)+B(x+3)1 = A(x-1) + B(x+3)
x=1x=1 のとき、1=4BB=141 = 4B \Rightarrow B = \frac{1}{4}
x=3x=-3 のとき、1=4AA=141 = -4A \Rightarrow A = -\frac{1}{4}
21(x+3)(x1)dx=2(1/4x+3+1/4x1)dx=142(1x11x+3)dx\int_2^\infty \frac{1}{(x+3)(x-1)} \, dx = \int_2^\infty (\frac{-1/4}{x+3} + \frac{1/4}{x-1}) \, dx = \frac{1}{4} \int_2^\infty (\frac{1}{x-1} - \frac{1}{x+3}) \, dx
=14[lnx1lnx+3]2=14[lnx1x+3]2=14[limxlnx1x+3ln212+3]= \frac{1}{4} [\ln|x-1| - \ln|x+3|]_2^\infty = \frac{1}{4} [\ln|\frac{x-1}{x+3}|]_2^\infty = \frac{1}{4} [\lim_{x\to\infty}\ln|\frac{x-1}{x+3}| - \ln|\frac{2-1}{2+3}|]
=14[ln(1)ln(15)]=14[0(ln5)]=14ln5= \frac{1}{4} [\ln(1) - \ln(\frac{1}{5})] = \frac{1}{4} [0 - (-\ln{5})] = \frac{1}{4} \ln{5}

3. 最終的な答え

(1) 735415\frac{7\sqrt{3}}{5} - \frac{4}{15}
(2) 12ln(53)\frac{1}{2}\ln(\frac{5}{3})
(3) 14ln5\frac{1}{4}\ln{5}

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