次の3つの積分を計算します。 (1) $\int_{1/2}^{1/\sqrt{2}} \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} dx$ (2) $\int (x^2+x+1) \log x dx$ (3) $\int \frac{1}{(x+2)(x^3+8)} dx$

解析学積分定積分部分積分部分分数分解
2025/7/31

1. 問題の内容

次の3つの積分を計算します。
(1) 1/21/211x2dx\int_{1/2}^{1/\sqrt{2}} \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} dx
(2) (x2+x+1)logxdx\int (x^2+x+1) \log x dx
(3) 1(x+2)(x3+8)dx\int \frac{1}{(x+2)(x^3+8)} dx

2. 解き方の手順

(1)
11x2dx=arcsinx+C\int \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} dx = \arcsin x + C
したがって、
1/21/211x2dx=arcsin(1/2)arcsin(1/2)=π/4π/6=π/12\int_{1/2}^{1/\sqrt{2}} \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} dx = \arcsin (1/\sqrt{2}) - \arcsin (1/2) = \pi/4 - \pi/6 = \pi/12
(2)
部分積分を用いて計算します。
(x2+x+1)logxdx=(x2+x+1)logxdx\int (x^2+x+1) \log x dx = \int (x^2+x+1) \log x dx
u=logxu = \log x, dv=(x2+x+1)dxdv = (x^2+x+1)dx とおくと、
du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx, v=x33+x22+xv = \frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x
(x2+x+1)logxdx=(x33+x22+x)logx(x33+x22+x)1xdx\int (x^2+x+1) \log x dx = (\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x) \log x - \int (\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x) \frac{1}{x} dx
=(x33+x22+x)logx(x23+x2+1)dx= (\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x) \log x - \int (\frac{x^2}{3} + \frac{x}{2} + 1) dx
=(x33+x22+x)logx(x39+x24+x)+C= (\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x) \log x - (\frac{x^3}{9} + \frac{x^2}{4} + x) + C
(3)
1(x+2)(x3+8)=1(x+2)(x+2)(x22x+4)=1(x+2)2(x22x+4)\frac{1}{(x+2)(x^3+8)} = \frac{1}{(x+2)(x+2)(x^2-2x+4)} = \frac{1}{(x+2)^2 (x^2-2x+4)}
部分分数分解します。
1(x+2)2(x22x+4)=Ax+2+B(x+2)2+Cx+Dx22x+4\frac{1}{(x+2)^2 (x^2-2x+4)} = \frac{A}{x+2} + \frac{B}{(x+2)^2} + \frac{Cx+D}{x^2-2x+4}
1=A(x+2)(x22x+4)+B(x22x+4)+(Cx+D)(x+2)21 = A(x+2)(x^2-2x+4) + B(x^2-2x+4) + (Cx+D)(x+2)^2
1=A(x3+8)+B(x22x+4)+(Cx+D)(x2+4x+4)1 = A(x^3+8) + B(x^2-2x+4) + (Cx+D)(x^2+4x+4)
1=Ax3+8A+Bx22Bx+4B+Cx3+4Cx2+4Cx+Dx2+4Dx+4D1 = Ax^3 + 8A + Bx^2 - 2Bx + 4B + Cx^3 + 4Cx^2 + 4Cx + Dx^2 + 4Dx + 4D
1=(A+C)x3+(B+4C+D)x2+(2B+4C+4D)x+(8A+4B+4D)1 = (A+C)x^3 + (B+4C+D)x^2 + (-2B+4C+4D)x + (8A+4B+4D)
A+C=0A+C = 0
B+4C+D=0B+4C+D = 0
2B+4C+4D=0-2B+4C+4D = 0
8A+4B+4D=18A+4B+4D = 1
C=AC = -A
B4A+D=0B-4A+D = 0
2B4A+4D=0-2B-4A+4D = 0
8A+4B+4D=18A+4B+4D = 1
B+D=4AB+D = 4A
2B4D=4A2B-4D = -4A
B2D=2AB-2D = -2A
D=4ABD = 4A-B
B2(4AB)=2AB-2(4A-B) = -2A
B8A+2B=2AB-8A+2B = -2A
3B=6A3B = 6A
B=2AB = 2A
D=4A2A=2AD = 4A-2A = 2A
8A+4(2A)+4(2A)=18A+4(2A)+4(2A) = 1
8A+8A+8A=18A+8A+8A = 1
24A=124A = 1
A=124A = \frac{1}{24}
B=224=112B = \frac{2}{24} = \frac{1}{12}
C=124C = -\frac{1}{24}
D=224=112D = \frac{2}{24} = \frac{1}{12}
1(x+2)2(x22x+4)dx=(1/24x+2+1/12(x+2)2+1/24x+1/12x22x+4)dx\int \frac{1}{(x+2)^2 (x^2-2x+4)} dx = \int (\frac{1/24}{x+2} + \frac{1/12}{(x+2)^2} + \frac{-1/24 x+1/12}{x^2-2x+4}) dx
=124logx+2112(x+2)+1/24x+1/12x22x+4dx= \frac{1}{24} \log |x+2| - \frac{1}{12(x+2)} + \int \frac{-1/24 x+1/12}{x^2-2x+4} dx
=124logx+2112(x+2)+1/24(x1)+1/121/24x22x+4dx= \frac{1}{24} \log |x+2| - \frac{1}{12(x+2)} + \int \frac{-1/24 (x-1) + 1/12 - 1/24}{x^2-2x+4} dx
=124logx+2112(x+2)148log(x22x+4)+1241(x1)2+3dx= \frac{1}{24} \log |x+2| - \frac{1}{12(x+2)} - \frac{1}{48} \log (x^2-2x+4) + \frac{1}{24}\int \frac{1}{(x-1)^2+3}dx
=124logx+2112(x+2)148log(x22x+4)+1243arctan(x13)+C= \frac{1}{24} \log |x+2| - \frac{1}{12(x+2)} - \frac{1}{48} \log (x^2-2x+4) + \frac{1}{24\sqrt{3}}\arctan(\frac{x-1}{\sqrt{3}}) + C

3. 最終的な答え

(1) π12\frac{\pi}{12}
(2) (x33+x22+x)logx(x39+x24+x)+C(\frac{x^3}{3} + \frac{x^2}{2} + x) \log x - (\frac{x^3}{9} + \frac{x^2}{4} + x) + C
(3) 124logx+2112(x+2)148log(x22x+4)+1243arctan(x13)+C\frac{1}{24} \log |x+2| - \frac{1}{12(x+2)} - \frac{1}{48} \log (x^2-2x+4) + \frac{1}{24\sqrt{3}}\arctan(\frac{x-1}{\sqrt{3}}) + C

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