次の関数の不定積分を求めます。 (13) $f(x) = \frac{1}{x(\log x)^2}$ (14) $f(x) = \frac{1}{3 + \cos x}$ (15) $f(x) = \frac{x}{x^4 - 1}$ (16) $f(x) = \frac{\log x}{x^2}$ (17) $f(x) = \frac{1}{1 + \sin x}$ (18) $f(x) = \tan^{-1} x$

解析学不定積分置換積分部分積分三角関数対数関数分数関数
2025/7/31

1. 問題の内容

次の関数の不定積分を求めます。
(13) f(x)=1x(logx)2f(x) = \frac{1}{x(\log x)^2}
(14) f(x)=13+cosxf(x) = \frac{1}{3 + \cos x}
(15) f(x)=xx41f(x) = \frac{x}{x^4 - 1}
(16) f(x)=logxx2f(x) = \frac{\log x}{x^2}
(17) f(x)=11+sinxf(x) = \frac{1}{1 + \sin x}
(18) f(x)=tan1xf(x) = \tan^{-1} x

2. 解き方の手順

(13) f(x)=1x(logx)2f(x) = \frac{1}{x(\log x)^2}
logx=t\log x = t と置換すると、1xdx=dt\frac{1}{x} dx = dt となる。
1x(logx)2dx=1t2dt=1t+C=1logx+C\int \frac{1}{x(\log x)^2} dx = \int \frac{1}{t^2} dt = -\frac{1}{t} + C = -\frac{1}{\log x} + C
(14) f(x)=13+cosxf(x) = \frac{1}{3 + \cos x}
t=tanx2t = \tan \frac{x}{2} と置換すると、cosx=1t21+t2\cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2}dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1+t^2} dt となる。
13+cosxdx=13+1t21+t221+t2dt=23(1+t2)+(1t2)dt=24+2t2dt=12+t2dt\int \frac{1}{3 + \cos x} dx = \int \frac{1}{3 + \frac{1-t^2}{1+t^2}} \cdot \frac{2}{1+t^2} dt = \int \frac{2}{3(1+t^2) + (1-t^2)} dt = \int \frac{2}{4 + 2t^2} dt = \int \frac{1}{2+t^2} dt
=12arctant2+C=12arctantanx22+C= \frac{1}{\sqrt{2}} \arctan \frac{t}{\sqrt{2}} + C = \frac{1}{\sqrt{2}} \arctan \frac{\tan \frac{x}{2}}{\sqrt{2}} + C
(15) f(x)=xx41f(x) = \frac{x}{x^4 - 1}
xx41=x(x21)(x2+1)=x(x1)(x+1)(x2+1)\frac{x}{x^4 - 1} = \frac{x}{(x^2 - 1)(x^2 + 1)} = \frac{x}{(x-1)(x+1)(x^2+1)}
部分分数分解をすると、xx41=Ax1+Bx+1+Cx+Dx2+1\frac{x}{x^4 - 1} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x+1} + \frac{Cx+D}{x^2+1}
x=A(x+1)(x2+1)+B(x1)(x2+1)+(Cx+D)(x21)x = A(x+1)(x^2+1) + B(x-1)(x^2+1) + (Cx+D)(x^2-1)
x=A(x3+x2+x+1)+B(x3x2+x1)+Cx3Cx+Dx2Dx = A(x^3 + x^2 + x + 1) + B(x^3 - x^2 + x - 1) + Cx^3 - Cx + Dx^2 - D
x=(A+B+C)x3+(AB+D)x2+(A+BC)x+(ABD)x = (A+B+C)x^3 + (A-B+D)x^2 + (A+B-C)x + (A-B-D)
A+B+C=0A+B+C = 0
AB+D=0A-B+D = 0
A+BC=1A+B-C = 1
ABD=0A-B-D = 0
2(A+B)=1    A+B=122(A+B) = 1 \implies A+B = \frac{1}{2}
2(AB)=0    A=B=142(A-B) = 0 \implies A=B = \frac{1}{4}
C=A+B1=121=12C = A+B-1 = \frac{1}{2} - 1 = -\frac{1}{2}
D=BA=0D = B-A = 0
xx41dx=1/4x1+1/4x+1+x/2x2+1dx=14logx1+14logx+114log(x2+1)+C=14logx21x2+1+C\int \frac{x}{x^4 - 1} dx = \int \frac{1/4}{x-1} + \frac{1/4}{x+1} + \frac{-x/2}{x^2+1} dx = \frac{1}{4} \log |x-1| + \frac{1}{4} \log |x+1| - \frac{1}{4} \log (x^2+1) + C = \frac{1}{4} \log \left| \frac{x^2-1}{x^2+1} \right| + C
(16) f(x)=logxx2f(x) = \frac{\log x}{x^2}
部分積分をする。
u=logx,dv=1x2dxu = \log x, dv = \frac{1}{x^2} dx
du=1xdx,v=1xdu = \frac{1}{x} dx, v = -\frac{1}{x}
logxx2dx=logxx1x1xdx=logxx+1x2dx=logxx1x+C=logx+1x+C\int \frac{\log x}{x^2} dx = -\frac{\log x}{x} - \int -\frac{1}{x} \cdot \frac{1}{x} dx = -\frac{\log x}{x} + \int \frac{1}{x^2} dx = -\frac{\log x}{x} - \frac{1}{x} + C = -\frac{\log x + 1}{x} + C
(17) f(x)=11+sinxf(x) = \frac{1}{1 + \sin x}
11+sinxdx=1sinx1sin2xdx=1sinxcos2xdx=(sec2xsecxtanx)dx=tanxsecx+C\int \frac{1}{1+\sin x} dx = \int \frac{1-\sin x}{1 - \sin^2 x} dx = \int \frac{1-\sin x}{\cos^2 x} dx = \int (\sec^2 x - \sec x \tan x) dx = \tan x - \sec x + C
(18) f(x)=tan1xf(x) = \tan^{-1} x
部分積分をする。
u=tan1x,dv=dxu = \tan^{-1} x, dv = dx
du=11+x2dx,v=xdu = \frac{1}{1+x^2} dx, v = x
tan1xdx=xtan1xx1+x2dx=xtan1x12log(1+x2)+C\int \tan^{-1} x dx = x \tan^{-1} x - \int \frac{x}{1+x^2} dx = x \tan^{-1} x - \frac{1}{2} \log(1+x^2) + C

3. 最終的な答え

(13) 1logx+C-\frac{1}{\log x} + C
(14) 12arctantanx22+C\frac{1}{\sqrt{2}} \arctan \frac{\tan \frac{x}{2}}{\sqrt{2}} + C
(15) 14logx21x2+1+C\frac{1}{4} \log \left| \frac{x^2-1}{x^2+1} \right| + C
(16) logx+1x+C-\frac{\log x + 1}{x} + C
(17) tanxsecx+C\tan x - \sec x + C
(18) xtan1x12log(1+x2)+Cx \tan^{-1} x - \frac{1}{2} \log(1+x^2) + C

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