以下の4つの不定積分を求める問題です。 (1) $\int \frac{dx}{x\sqrt{x+1}}$ (2) $\int \frac{x\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}}dx$ (3) $\int \frac{x^2}{\sqrt{x^2+1}}dx$ (4) $\int \frac{dx}{(x+1)^2\sqrt{1-x^2}}$

解析学不定積分積分置換積分三角関数
2025/8/8
はい、承知いたしました。画像にある不定積分を求めます。

1. 問題の内容

以下の4つの不定積分を求める問題です。
(1) dxxx+1\int \frac{dx}{x\sqrt{x+1}}
(2) xx1+xdx\int \frac{x\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}}dx
(3) x2x2+1dx\int \frac{x^2}{\sqrt{x^2+1}}dx
(4) dx(x+1)21x2\int \frac{dx}{(x+1)^2\sqrt{1-x^2}}

2. 解き方の手順

(1) dxxx+1\int \frac{dx}{x\sqrt{x+1}}
x+1=t2x+1 = t^2とおくと、dx=2tdtdx = 2t dtx=t21x = t^2 - 1
2tdt(t21)t=2dtt21=212(1t11t+1)dt=(1t11t+1)dt=logt1logt+1+C=logt1t+1+C=logx+11x+1+1+C\int \frac{2t dt}{(t^2-1)t} = 2\int \frac{dt}{t^2-1} = 2\int \frac{1}{2}(\frac{1}{t-1} - \frac{1}{t+1})dt = \int (\frac{1}{t-1} - \frac{1}{t+1}) dt = \log|t-1| - \log|t+1| + C = \log|\frac{t-1}{t+1}| + C = \log|\frac{\sqrt{x+1}-1}{\sqrt{x+1}+1}| + C.
(2) xx1+xdx\int \frac{x\sqrt{x}}{1+\sqrt{x}}dx
x=t\sqrt{x} = tとおくと、x=t2x = t^2dx=2tdtdx = 2t dt
t2t1+t2tdt=2t41+tdt=2(t3t2+t1+11+t)dt=2(t44t33+t22t+log1+t)+C=12x223xx+x2x+2log1+x+C\int \frac{t^2 \cdot t}{1+t}2t dt = 2\int \frac{t^4}{1+t} dt = 2\int (t^3 - t^2 + t - 1 + \frac{1}{1+t}) dt = 2(\frac{t^4}{4} - \frac{t^3}{3} + \frac{t^2}{2} - t + \log|1+t|) + C = \frac{1}{2}x^2 - \frac{2}{3}x\sqrt{x} + x - 2\sqrt{x} + 2\log|1+\sqrt{x}| + C.
(3) x2x2+1dx\int \frac{x^2}{\sqrt{x^2+1}}dx
x=sinhux = \sinh uとおくと、dx=coshududx = \cosh u dux2+1=sinh2u+1=cosh2ux^2+1 = \sinh^2 u + 1 = \cosh^2 u
sinh2ucoshucoshudu=sinh2udu=cosh2u12du=14sinh2u12u+C=12sinhucoshu12u+C=12xx2+112arcsinhx+C=12xx2+112log(x+x2+1)+C\int \frac{\sinh^2 u}{\cosh u} \cosh u du = \int \sinh^2 u du = \int \frac{\cosh 2u - 1}{2} du = \frac{1}{4}\sinh 2u - \frac{1}{2}u + C = \frac{1}{2}\sinh u \cosh u - \frac{1}{2}u + C = \frac{1}{2}x\sqrt{x^2+1} - \frac{1}{2}\operatorname{arcsinh}x + C = \frac{1}{2}x\sqrt{x^2+1} - \frac{1}{2}\log(x + \sqrt{x^2+1}) + C.
(4) dx(x+1)21x2\int \frac{dx}{(x+1)^2\sqrt{1-x^2}}
x=sinθx = \sin\thetaとおくと、dx=cosθdθdx = \cos\theta d\theta
cosθdθ(sinθ+1)21sin2θ=dθ(sinθ+1)2=1(sinθ+1)2dθ=1(sinθ+1)2dθ=tan(θ2)1tan(θ/2)+1+C\int \frac{\cos\theta d\theta}{(\sin\theta + 1)^2\sqrt{1-\sin^2\theta}} = \int \frac{d\theta}{(\sin\theta + 1)^2} = \int \frac{1}{(\sin\theta + 1)^2} d\theta = \int \frac{1}{(\sin\theta + 1)^2}d\theta = \tan(\frac{\theta}{2}) - \frac{1}{\tan(\theta/2) + 1} + C.

3. 最終的な答え

(1) logx+11x+1+1+C\log|\frac{\sqrt{x+1}-1}{\sqrt{x+1}+1}| + C
(2) 12x223xx+x2x+2log1+x+C\frac{1}{2}x^2 - \frac{2}{3}x\sqrt{x} + x - 2\sqrt{x} + 2\log|1+\sqrt{x}| + C
(3) 12xx2+112log(x+x2+1)+C\frac{1}{2}x\sqrt{x^2+1} - \frac{1}{2}\log(x + \sqrt{x^2+1}) + C
(4) tan(arcsinx2)1tan(arcsinx2)+1+C\tan(\frac{\arcsin x}{2}) - \frac{1}{\tan(\frac{\arcsin x}{2}) + 1} + C

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