与えられた6つの不定積分を計算する問題です。 (1) $\int \frac{dx}{1+\cos x}$ (2) $\int \frac{dx}{2+\cos x}$ (3) $\int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx$ (4) $\int \frac{\cos x}{4+5\sin x} dx$ (5) $\int \frac{1}{2+\tan x} dx$ (6) $\int \frac{dx}{1+\sin x - \cos x}$

解析学不定積分積分三角関数置換積分
2025/8/9

1. 問題の内容

与えられた6つの不定積分を計算する問題です。
(1) dx1+cosx\int \frac{dx}{1+\cos x}
(2) dx2+cosx\int \frac{dx}{2+\cos x}
(3) 1+cosx(1+sinx)2dx\int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx
(4) cosx4+5sinxdx\int \frac{\cos x}{4+5\sin x} dx
(5) 12+tanxdx\int \frac{1}{2+\tan x} dx
(6) dx1+sinxcosx\int \frac{dx}{1+\sin x - \cos x}

2. 解き方の手順

(1) dx1+cosx\int \frac{dx}{1+\cos x}
半角の公式 cosx=2cos2x21=12sin2x2\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2}-1 = 1-2\sin^2\frac{x}{2} を用いて、
1+cosx=2cos2x21+\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2}
dx1+cosx=dx2cos2x2=12sec2x2dx=122tanx2+C=tanx2+C\int \frac{dx}{1+\cos x} = \int \frac{dx}{2\cos^2\frac{x}{2}} = \frac{1}{2} \int \sec^2\frac{x}{2} dx = \frac{1}{2} \cdot 2 \tan\frac{x}{2} + C = \tan\frac{x}{2} + C
(2) dx2+cosx\int \frac{dx}{2+\cos x}
t=tanx2t = \tan\frac{x}{2} とおくと、cosx=1t21+t2\cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2} かつ dx=2dt1+t2dx = \frac{2dt}{1+t^2}
dx2+cosx=12+1t21+t22dt1+t2=2dt2(1+t2)+1t2=2dtt2+3=23arctant3+C=23arctantanx23+C\int \frac{dx}{2+\cos x} = \int \frac{1}{2+\frac{1-t^2}{1+t^2}} \frac{2dt}{1+t^2} = \int \frac{2dt}{2(1+t^2)+1-t^2} = \int \frac{2dt}{t^2+3} = \frac{2}{\sqrt{3}}\arctan\frac{t}{\sqrt{3}} + C = \frac{2}{\sqrt{3}}\arctan\frac{\tan\frac{x}{2}}{\sqrt{3}} + C
(3) 1+cosx(1+sinx)2dx\int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx
1+cosx(1+sinx)2dx=1(1+sinx)2dx+cosx(1+sinx)2dx\int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = \int \frac{1}{(1+\sin x)^2} dx + \int \frac{\cos x}{(1+\sin x)^2} dx
t=1+sinxt = 1+\sin x とおくと、dt=cosxdxdt = \cos x dx
cosx(1+sinx)2dx=dtt2=1t=11+sinx\int \frac{\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = \int \frac{dt}{t^2} = -\frac{1}{t} = -\frac{1}{1+\sin x}
また、1+cosx(1+sinx)2=1(1+sinx)2+cosx(1+sinx)2\frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} = \frac{1}{(1+\sin x)^2} + \frac{\cos x}{(1+\sin x)^2}
1+cosx(1+sinx)2dx=1+cosx(1+sinx)2dx=1(1+sinx)2dx+cosx(1+sinx)2dx\int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = \int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = \int \frac{1}{(1+\sin x)^2} dx + \int \frac{\cos x}{(1+\sin x)^2} dx
ここで、cosx(1+sinx)2dx=11+sinx\int \frac{\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = -\frac{1}{1+\sin x}
11+sinxdx=1sinx1sin2xdx=1sinxcos2xdx=sec2xsecxtanxdx=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
dx(1+sinx)2=1(1+sinx)2dx=sinx1cos2x(1+sinx)+C\int \frac{dx}{(1+\sin x)^2} = \int \frac{1}{(1+\sin x)^2} dx = \frac{\sin x - 1}{\cos^2 x (1+\sin x)} + C
1+cosx(1+sinx)2dx=1+cosx(1+sinx)2dx=11+sinx+C\int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = \int \frac{1+\cos x}{(1+\sin x)^2} dx = \frac{1}{1+\sin x}+C
(4) cosx4+5sinxdx\int \frac{\cos x}{4+5\sin x} dx
t=4+5sinxt = 4+5\sin x とおくと、dt=5cosxdxdt = 5\cos x dx, cosxdx=dt5\cos x dx = \frac{dt}{5}
cosx4+5sinxdx=1tdt5=15lnt+C=15ln4+5sinx+C\int \frac{\cos x}{4+5\sin x} dx = \int \frac{1}{t} \frac{dt}{5} = \frac{1}{5} \ln |t| + C = \frac{1}{5} \ln |4+5\sin x| + C
(5) 12+tanxdx=cosx2cosx+sinxdx\int \frac{1}{2+\tan x} dx = \int \frac{\cos x}{2\cos x + \sin x} dx
I=cosx2cosx+sinxdxI = \int \frac{\cos x}{2\cos x + \sin x} dx , J=sinx2cosx+sinxdxJ = \int \frac{\sin x}{2\cos x + \sin x} dx とする。
2I+J=2cosx+sinx2cosx+sinxdx=dx=x+C12I+J = \int \frac{2\cos x + \sin x}{2\cos x + \sin x} dx = \int dx = x+C_1
I+2J=(cosx2sinx)2cosx+sinxdx-I+2J = \int \frac{-(\cos x - 2\sin x)}{2\cos x + \sin x} dx
t=2cosx+sinxt = 2\cos x + \sin x, dt=2sinx+cosxdx=(cosx2sinx)dxdt = -2\sin x + \cos x dx = -(\cos x - 2\sin x) dx
I+2J=dtt=lnt+C2=ln2cosx+sinx+C2-I+2J = \int \frac{dt}{t} = \ln |t| + C_2 = \ln |2\cos x + \sin x| + C_2
4I+2J=2x+2C14I+2J = 2x + 2C_1, I+2J=ln2cosx+sinx+C2-I+2J = \ln |2\cos x + \sin x| + C_2
5I=2xln2cosx+sinx+C35I = 2x - \ln |2\cos x + \sin x| + C_3
I=25x15ln2cosx+sinx+CI = \frac{2}{5}x - \frac{1}{5}\ln |2\cos x + \sin x| + C
(6) dx1+sinxcosx\int \frac{dx}{1+\sin x - \cos x}
t=tanx2t = \tan\frac{x}{2} とおくと、sinx=2t1+t2\sin x = \frac{2t}{1+t^2}, cosx=1t21+t2\cos x = \frac{1-t^2}{1+t^2}, dx=2dt1+t2dx = \frac{2dt}{1+t^2}
dx1+sinxcosx=11+2t1+t21t21+t22dt1+t2=2dt1+t2+2t(1t2)=2dt2t2+2t=dtt(t+1)=(1t1t+1)dt=lntlnt+1+C=lntt+1+C=lntanx2tanx2+1+C\int \frac{dx}{1+\sin x - \cos x} = \int \frac{1}{1+\frac{2t}{1+t^2} - \frac{1-t^2}{1+t^2}} \frac{2dt}{1+t^2} = \int \frac{2dt}{1+t^2 + 2t - (1-t^2)} = \int \frac{2dt}{2t^2+2t} = \int \frac{dt}{t(t+1)} = \int (\frac{1}{t} - \frac{1}{t+1}) dt = \ln |t| - \ln |t+1| + C = \ln |\frac{t}{t+1}| + C = \ln |\frac{\tan\frac{x}{2}}{\tan\frac{x}{2}+1}| + C

3. 最終的な答え

(1) tanx2+C\tan\frac{x}{2} + C
(2) 23arctantanx23+C\frac{2}{\sqrt{3}}\arctan\frac{\tan\frac{x}{2}}{\sqrt{3}} + C
(3) 11+sinx+C\frac{1}{1+\sin x} + C
(4) 15ln4+5sinx+C\frac{1}{5} \ln |4+5\sin x| + C
(5) 25x15ln2cosx+sinx+C\frac{2}{5}x - \frac{1}{5}\ln |2\cos x + \sin x| + C
(6) lntanx2tanx2+1+C\ln |\frac{\tan\frac{x}{2}}{\tan\frac{x}{2}+1}| + C

「解析学」の関連問題

与えられた積分 $\int e^{2x} \sin 3x dx$ を計算します。

積分部分積分指数関数三角関数
2025/8/10

与えられた積分 $\int a^{-\frac{x}{2}} dx$ を計算します。ただし、$a>0$ かつ $a \neq 1$ です。

積分指数関数置換積分
2025/8/10

$\int x\sqrt{x^2-1}dx$ を計算する問題です。

積分置換積分不定積分
2025/8/10

問題41では、数列 $\{ \frac{r^{n+1}}{2+r^n} \}$ について、次の各場合における極限を調べる必要があります。 (1) $|r| < 1$ (2) $r = 1$ (3) $...

数列極限収束発散
2025/8/10

数列 $\frac{2r^{n+1}}{2+r^n}$ について、以下の4つの場合それぞれについて、極限を求めよ。 (1) $|r|<1$ (2) $r=1$ (3) $r=-1$ (4) $|r|>...

数列極限収束発散
2025/8/10

関数 $f(x)$ が与えられた積分方程式 $f(x) = \int_{-1}^{1} (x-t)f(t)dt + 1$ を満たすとき、$f(x)$ を求めます。

積分方程式関数
2025/8/10

$x$の整式で表される関数$f(x)$、$g(x)$が以下の条件を満たしている。 (ア) $\frac{d}{dx}\{f(x)+g(x)\}=2$ (イ) $\frac{d}{dx}\{(f(x))...

微分積分関数連立方程式
2025/8/10

定積分 $\int_{-1}^{1} \sqrt{1-x^2} dx$ の値を求める問題です。

定積分積分置換積分三角関数幾何学的解釈
2025/8/10

放物線 $y = x^2$ 上の点 $(a, a^2)$ における接線と曲線 $y = x^3 - ax$ が相異なる3点で交わるとき、$a$ のとりうる値の範囲を求めよ。

微分接線3次方程式極値不等式
2025/8/10

$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (1 + \cos^2 x) \sin x \, dx$ を計算する問題です。

積分置換積分定積分三角関数
2025/8/10