与えられた6つの関数を積分する問題です。 (1) $\frac{x^2}{(2x-1)^2}$ (2) $xe^{-x^2}$ (3) $\frac{1}{x^2+4x+9}$ (4) $\frac{1}{\sqrt{x^2+4x+7}}$ (5) $\frac{1}{\sqrt{3+2x-x^2}}$ (6) $\frac{e^x}{1+e^{2x}}$

解析学積分部分分数分解置換積分積分計算
2025/7/31

1. 問題の内容

与えられた6つの関数を積分する問題です。
(1) x2(2x1)2\frac{x^2}{(2x-1)^2}
(2) xex2xe^{-x^2}
(3) 1x2+4x+9\frac{1}{x^2+4x+9}
(4) 1x2+4x+7\frac{1}{\sqrt{x^2+4x+7}}
(5) 13+2xx2\frac{1}{\sqrt{3+2x-x^2}}
(6) ex1+e2x\frac{e^x}{1+e^{2x}}

2. 解き方の手順

(1) x2(2x1)2\frac{x^2}{(2x-1)^2}
まず、x2(2x1)2\frac{x^2}{(2x-1)^2} を部分分数分解します。
x2(2x1)2=A2x1+B(2x1)2+C\frac{x^2}{(2x-1)^2} = \frac{A}{2x-1} + \frac{B}{(2x-1)^2} + C と置きます。
x2=A(2x1)+B+C(2x1)2x^2 = A(2x-1) + B + C(2x-1)^2
x2=A(2x1)+B+C(4x24x+1)x^2 = A(2x-1) + B + C(4x^2 - 4x + 1)
x2=4Cx2+(2A4C)x+(A+B+C)x^2 = 4Cx^2 + (2A - 4C)x + (-A + B + C)
係数を比較すると、
4C=1C=144C = 1 \Rightarrow C = \frac{1}{4}
2A4C=02A=4C=1A=122A - 4C = 0 \Rightarrow 2A = 4C = 1 \Rightarrow A = \frac{1}{2}
A+B+C=0B=AC=1214=14-A + B + C = 0 \Rightarrow B = A - C = \frac{1}{2} - \frac{1}{4} = \frac{1}{4}
したがって、x2(2x1)2=1/22x1+1/4(2x1)2+14\frac{x^2}{(2x-1)^2} = \frac{1/2}{2x-1} + \frac{1/4}{(2x-1)^2} + \frac{1}{4} です。
x2(2x1)2dx=1/22x1dx+1/4(2x1)2dx+14dx\int \frac{x^2}{(2x-1)^2} dx = \int \frac{1/2}{2x-1} dx + \int \frac{1/4}{(2x-1)^2} dx + \int \frac{1}{4} dx
=14ln2x118(2x1)+14x+C= \frac{1}{4} \ln |2x-1| - \frac{1}{8(2x-1)} + \frac{1}{4} x + C
(2) xex2xe^{-x^2}
u=x2u = -x^2 と置くと、dudx=2x\frac{du}{dx} = -2x より xdx=12dux dx = -\frac{1}{2} du
xex2dx=eu(12)du=12eudu=12eu+C=12ex2+C\int xe^{-x^2} dx = \int e^u (-\frac{1}{2}) du = -\frac{1}{2} \int e^u du = -\frac{1}{2} e^u + C = -\frac{1}{2} e^{-x^2} + C
(3) 1x2+4x+9\frac{1}{x^2+4x+9}
x2+4x+9=(x+2)2+5x^2 + 4x + 9 = (x+2)^2 + 5 なので、
1x2+4x+9dx=1(x+2)2+5dx\int \frac{1}{x^2+4x+9} dx = \int \frac{1}{(x+2)^2 + 5} dx
u=x+2u = x+2 と置くと、du=dxdu = dx
1u2+5du=15arctanu5+C=15arctanx+25+C\int \frac{1}{u^2 + 5} du = \frac{1}{\sqrt{5}} \arctan \frac{u}{\sqrt{5}} + C = \frac{1}{\sqrt{5}} \arctan \frac{x+2}{\sqrt{5}} + C
(4) 1x2+4x+7\frac{1}{\sqrt{x^2+4x+7}}
x2+4x+7=(x+2)2+3x^2+4x+7 = (x+2)^2 + 3
1x2+4x+7dx=1(x+2)2+3dx\int \frac{1}{\sqrt{x^2+4x+7}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{(x+2)^2 + 3}} dx
u=x+2u = x+2 と置くと、du=dxdu = dx
1u2+3du=arcsinh(u3)+C=ln(u+u2+3)+C=ln(x+2+x2+4x+7)+C\int \frac{1}{\sqrt{u^2 + 3}} du = \operatorname{arcsinh}\left(\frac{u}{\sqrt{3}}\right) + C = \ln(u + \sqrt{u^2 + 3}) + C = \ln(x+2 + \sqrt{x^2+4x+7}) + C
(5) 13+2xx2\frac{1}{\sqrt{3+2x-x^2}}
3+2xx2=4(x1)23+2x-x^2 = 4 - (x-1)^2
13+2xx2dx=14(x1)2dx\int \frac{1}{\sqrt{3+2x-x^2}} dx = \int \frac{1}{\sqrt{4-(x-1)^2}} dx
u=x1u = x-1 と置くと、du=dxdu = dx
14u2du=arcsinu2+C=arcsinx12+C\int \frac{1}{\sqrt{4-u^2}} du = \arcsin \frac{u}{2} + C = \arcsin \frac{x-1}{2} + C
(6) ex1+e2x\frac{e^x}{1+e^{2x}}
u=exu = e^x と置くと、du=exdxdu = e^x dx
ex1+e2xdx=11+u2du=arctanu+C=arctanex+C\int \frac{e^x}{1+e^{2x}} dx = \int \frac{1}{1+u^2} du = \arctan u + C = \arctan e^x + C

3. 最終的な答え

(1) x2(2x1)2dx=14ln2x118(2x1)+14x+C\int \frac{x^2}{(2x-1)^2} dx = \frac{1}{4} \ln |2x-1| - \frac{1}{8(2x-1)} + \frac{1}{4} x + C
(2) xex2dx=12ex2+C\int xe^{-x^2} dx = -\frac{1}{2} e^{-x^2} + C
(3) 1x2+4x+9dx=15arctanx+25+C\int \frac{1}{x^2+4x+9} dx = \frac{1}{\sqrt{5}} \arctan \frac{x+2}{\sqrt{5}} + C
(4) 1x2+4x+7dx=ln(x+2+x2+4x+7)+C\int \frac{1}{\sqrt{x^2+4x+7}} dx = \ln(x+2 + \sqrt{x^2+4x+7}) + C
(5) 13+2xx2dx=arcsinx12+C\int \frac{1}{\sqrt{3+2x-x^2}} dx = \arcsin \frac{x-1}{2} + C
(6) ex1+e2xdx=arctanex+C\int \frac{e^x}{1+e^{2x}} dx = \arctan e^x + C

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