与えられた4つの定積分を計算する。 (1) $\int_{1}^{2} \frac{1}{x(x+1)} dx$ (2) $\int_{0}^{2} \frac{x-1}{x^2+5x+4} dx$ (3) $\int_{2}^{4} \frac{1}{(x+1)(x^2-1)} dx$ (4) $\int_{-1}^{0} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} dx$

解析学定積分部分分数分解積分計算
2025/8/3

1. 問題の内容

与えられた4つの定積分を計算する。
(1) 121x(x+1)dx\int_{1}^{2} \frac{1}{x(x+1)} dx
(2) 02x1x2+5x+4dx\int_{0}^{2} \frac{x-1}{x^2+5x+4} dx
(3) 241(x+1)(x21)dx\int_{2}^{4} \frac{1}{(x+1)(x^2-1)} dx
(4) 101(x1)(x2+1)dx\int_{-1}^{0} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} dx

2. 解き方の手順

(1)
被積分関数を部分分数分解する。
1x(x+1)=Ax+Bx+1\frac{1}{x(x+1)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x+1}
1=A(x+1)+Bx1 = A(x+1) + Bx
x=0x = 0 のとき A=1A = 1
x=1x = -1 のとき 1=B1 = -B, B=1B = -1
よって、
1x(x+1)=1x1x+1\frac{1}{x(x+1)} = \frac{1}{x} - \frac{1}{x+1}
121x(x+1)dx=12(1x1x+1)dx=[lnxlnx+1]12=[lnxx+1]12\int_{1}^{2} \frac{1}{x(x+1)} dx = \int_{1}^{2} (\frac{1}{x} - \frac{1}{x+1}) dx = [\ln|x| - \ln|x+1|]_{1}^{2} = [\ln|\frac{x}{x+1}|]_{1}^{2}
=ln(23)ln(12)=ln(23)ln(12)=ln(2/31/2)=ln(43)= \ln(\frac{2}{3}) - \ln(\frac{1}{2}) = \ln(\frac{2}{3}) - \ln(\frac{1}{2}) = \ln(\frac{2/3}{1/2}) = \ln(\frac{4}{3})
(2)
被積分関数の分母を因数分解する。
x2+5x+4=(x+1)(x+4)x^2+5x+4 = (x+1)(x+4)
x1x2+5x+4=x1(x+1)(x+4)=Ax+1+Bx+4\frac{x-1}{x^2+5x+4} = \frac{x-1}{(x+1)(x+4)} = \frac{A}{x+1} + \frac{B}{x+4}
x1=A(x+4)+B(x+1)x-1 = A(x+4) + B(x+1)
x=1x = -1 のとき 2=3A-2 = 3A, A=23A = -\frac{2}{3}
x=4x = -4 のとき 5=3B-5 = -3B, B=53B = \frac{5}{3}
02x1x2+5x+4dx=02(231x+1+531x+4)dx=[23lnx+1+53lnx+4]02\int_{0}^{2} \frac{x-1}{x^2+5x+4} dx = \int_{0}^{2} (-\frac{2}{3}\frac{1}{x+1} + \frac{5}{3}\frac{1}{x+4}) dx = [-\frac{2}{3}\ln|x+1| + \frac{5}{3}\ln|x+4|]_{0}^{2}
=(23ln(3)+53ln(6))(23ln(1)+53ln(4))=23ln(3)+53ln(6)53ln(4)= (-\frac{2}{3}\ln(3) + \frac{5}{3}\ln(6)) - (-\frac{2}{3}\ln(1) + \frac{5}{3}\ln(4)) = -\frac{2}{3}\ln(3) + \frac{5}{3}\ln(6) - \frac{5}{3}\ln(4)
=23ln(3)+53(ln(2)+ln(3))53(2ln(2))=23ln(3)+53ln(2)+53ln(3)103ln(2)= -\frac{2}{3}\ln(3) + \frac{5}{3}(\ln(2) + \ln(3)) - \frac{5}{3}(2\ln(2)) = -\frac{2}{3}\ln(3) + \frac{5}{3}\ln(2) + \frac{5}{3}\ln(3) - \frac{10}{3}\ln(2)
=ln(3)53ln(2)=ln(3)ln(25/3)=ln(325/3)= \ln(3) - \frac{5}{3}\ln(2) = \ln(3) - \ln(2^{5/3}) = \ln(\frac{3}{2^{5/3}})
(3)
1(x+1)(x21)=1(x+1)(x+1)(x1)=1(x+1)2(x1)=Ax1+Bx+1+C(x+1)2\frac{1}{(x+1)(x^2-1)} = \frac{1}{(x+1)(x+1)(x-1)} = \frac{1}{(x+1)^2(x-1)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x+1} + \frac{C}{(x+1)^2}
1=A(x+1)2+B(x1)(x+1)+C(x1)1 = A(x+1)^2 + B(x-1)(x+1) + C(x-1)
x=1x = 1 のとき 1=4A1 = 4A, A=14A = \frac{1}{4}
x=1x = -1 のとき 1=2C1 = -2C, C=12C = -\frac{1}{2}
x=0x = 0 のとき 1=ABC=14B+121 = A - B - C = \frac{1}{4} - B + \frac{1}{2}, B=14+121=14B = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} - 1 = -\frac{1}{4}
241(x+1)(x21)dx=24(141x1141x+1121(x+1)2)dx\int_{2}^{4} \frac{1}{(x+1)(x^2-1)} dx = \int_{2}^{4} (\frac{1}{4}\frac{1}{x-1} - \frac{1}{4}\frac{1}{x+1} - \frac{1}{2}\frac{1}{(x+1)^2}) dx
=[14lnx114lnx+1+121x+1]24=[14lnx1x+1+12(x+1)]24= [\frac{1}{4}\ln|x-1| - \frac{1}{4}\ln|x+1| + \frac{1}{2}\frac{1}{x+1}]_{2}^{4} = [\frac{1}{4}\ln|\frac{x-1}{x+1}| + \frac{1}{2(x+1)}]_{2}^{4}
=(14ln(35)+110)(14ln(13)+16)=14ln(35)14ln(13)+11016=14ln(95)115= (\frac{1}{4}\ln(\frac{3}{5}) + \frac{1}{10}) - (\frac{1}{4}\ln(\frac{1}{3}) + \frac{1}{6}) = \frac{1}{4}\ln(\frac{3}{5}) - \frac{1}{4}\ln(\frac{1}{3}) + \frac{1}{10} - \frac{1}{6} = \frac{1}{4}\ln(\frac{9}{5}) - \frac{1}{15}
(4)
1(x1)(x2+1)=Ax1+Bx+Cx2+1\frac{1}{(x-1)(x^2+1)} = \frac{A}{x-1} + \frac{Bx+C}{x^2+1}
1=A(x2+1)+(Bx+C)(x1)1 = A(x^2+1) + (Bx+C)(x-1)
x=1x = 1 のとき 1=2A1 = 2A, A=12A = \frac{1}{2}
1=12(x2+1)+(Bx+C)(x1)1 = \frac{1}{2}(x^2+1) + (Bx+C)(x-1)
1=12x2+12+Bx2Bx+CxC1 = \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{2} + Bx^2 - Bx + Cx - C
12+B=0\frac{1}{2} + B = 0, B=12B = -\frac{1}{2}
B+C=0-B + C = 0, C=B=12C = B = -\frac{1}{2}
101(x1)(x2+1)dx=10(121x1+12x12x2+1)dx=1210(1x1xx2+11x2+1)dx\int_{-1}^{0} \frac{1}{(x-1)(x^2+1)} dx = \int_{-1}^{0} (\frac{1}{2}\frac{1}{x-1} + \frac{-\frac{1}{2}x-\frac{1}{2}}{x^2+1}) dx = \frac{1}{2} \int_{-1}^{0} (\frac{1}{x-1} - \frac{x}{x^2+1} - \frac{1}{x^2+1}) dx
=12[lnx112ln(x2+1)arctan(x)]10=12[(ln(1)12ln(1)arctan(0))(ln(2)12ln(2)arctan(1))]= \frac{1}{2}[\ln|x-1| - \frac{1}{2}\ln(x^2+1) - \arctan(x)]_{-1}^{0} = \frac{1}{2}[(\ln(1) - \frac{1}{2}\ln(1) - \arctan(0)) - (\ln(2) - \frac{1}{2}\ln(2) - \arctan(-1))]
=12[0(ln(2)12ln(2)+π4)]=12[12ln(2)π4]=14ln(2)π8= \frac{1}{2}[0 - (\ln(2) - \frac{1}{2}\ln(2) + \frac{\pi}{4})] = \frac{1}{2}[-\frac{1}{2}\ln(2) - \frac{\pi}{4}] = -\frac{1}{4}\ln(2) - \frac{\pi}{8}

3. 最終的な答え

(1) ln(43)\ln(\frac{4}{3})
(2) ln(325/3)\ln(\frac{3}{2^{5/3}})
(3) 14ln(95)115\frac{1}{4}\ln(\frac{9}{5}) - \frac{1}{15}
(4) 14ln(2)π8-\frac{1}{4}\ln(2) - \frac{\pi}{8}

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