以下の5つの不定積分を求める問題です。$C$は積分定数とします。 (1) $\int \frac{(x+1)^3}{x^3} dx$ (2) $\int x^2 \log x dx$ (3) $\int (7x+2)e^{3x} dx$ (4) $\int \log(4x-3) dx$ (5) $\int \sin 4x \cos 2x dx$

解析学不定積分部分積分三角関数の積和公式
2025/4/19
## 問題の回答

1. 問題の内容

以下の5つの不定積分を求める問題です。CCは積分定数とします。
(1) (x+1)3x3dx\int \frac{(x+1)^3}{x^3} dx
(2) x2logxdx\int x^2 \log x dx
(3) (7x+2)e3xdx\int (7x+2)e^{3x} dx
(4) log(4x3)dx\int \log(4x-3) dx
(5) sin4xcos2xdx\int \sin 4x \cos 2x dx

2. 解き方の手順

(1) (x+1)3x3dx\int \frac{(x+1)^3}{x^3} dx
まず、(x+1)3(x+1)^3を展開します。
(x+1)3=x3+3x2+3x+1(x+1)^3 = x^3 + 3x^2 + 3x + 1
よって、
(x+1)3x3=1+3x+3x2+1x3=1+3x1+3x2+x3\frac{(x+1)^3}{x^3} = 1 + \frac{3}{x} + \frac{3}{x^2} + \frac{1}{x^3} = 1 + 3x^{-1} + 3x^{-2} + x^{-3}
積分すると、
(x+1)3x3dx=(1+3x1+3x2+x3)dx=x+3logx+3x11+x22+C=x+3logx3x12x2+C\int \frac{(x+1)^3}{x^3} dx = \int (1 + 3x^{-1} + 3x^{-2} + x^{-3}) dx = x + 3\log|x| + 3\frac{x^{-1}}{-1} + \frac{x^{-2}}{-2} + C = x + 3\log|x| - \frac{3}{x} - \frac{1}{2x^2} + C
(2) x2logxdx\int x^2 \log x dx
部分積分を用います。logx=u,x2dx=dv\log x = u, x^2 dx = dvとすると、u=1x,v=x33u' = \frac{1}{x}, v = \frac{x^3}{3}
x2logxdx=x33logxx331xdx=x33logxx23dx=x33logxx39+C\int x^2 \log x dx = \frac{x^3}{3}\log x - \int \frac{x^3}{3} \cdot \frac{1}{x} dx = \frac{x^3}{3}\log x - \int \frac{x^2}{3} dx = \frac{x^3}{3}\log x - \frac{x^3}{9} + C
(3) (7x+2)e3xdx\int (7x+2)e^{3x} dx
部分積分を用います。7x+2=u,e3xdx=dv7x+2 = u, e^{3x}dx = dvとすると、u=7,v=13e3xu' = 7, v = \frac{1}{3}e^{3x}
(7x+2)e3xdx=(7x+2)13e3x713e3xdx=7x+23e3x73e3xdx=7x+23e3x7313e3x+C=7x+23e3x79e3x+C=(73x+2379)e3x+C=(73x19)e3x+C=e3x(21x19)+C\int (7x+2)e^{3x} dx = (7x+2)\frac{1}{3}e^{3x} - \int 7 \cdot \frac{1}{3}e^{3x} dx = \frac{7x+2}{3}e^{3x} - \frac{7}{3} \int e^{3x} dx = \frac{7x+2}{3}e^{3x} - \frac{7}{3} \cdot \frac{1}{3}e^{3x} + C = \frac{7x+2}{3}e^{3x} - \frac{7}{9}e^{3x} + C = (\frac{7}{3}x + \frac{2}{3} - \frac{7}{9})e^{3x} + C = (\frac{7}{3}x - \frac{1}{9})e^{3x} + C=e^{3x}(\frac{21x-1}{9})+C
(7x+2)e3xdx=7x3e3x+23e3x79e3x+C=e3x(73x+6979)+C=e3x(73x19)+C\int (7x+2)e^{3x}dx = \frac{7x}{3} e^{3x} + \frac{2}{3} e^{3x} - \frac{7}{9} e^{3x}+ C= e^{3x}(\frac{7}{3}x + \frac{6}{9} - \frac{7}{9}) + C= e^{3x}(\frac{7}{3}x - \frac{1}{9})+ C
73x19=21x19\frac{7}{3}x - \frac{1}{9} = \frac{21x-1}{9}なので係数は
73=219\frac{7}{3} = \frac{21}{9}
219x19e3x=(69x19)e3x\frac{21}{9}x-\frac{1}{9}e^{3x} =(\frac{6}{9}x-\frac{1}{9} )e^{3x}
(7x+2)e3xdx=(73x19)e3x=(219x19)e3x=e3x19(21x1)+C\int (7x+2)e^{3x}dx= (\frac{7}{3}x-\frac{1}{9} )e^{3x}= (\frac{21}{9}x-\frac{1}{9} )e^{3x}= e^{3x}\frac{1}{9}(21x-1) + C
もしくは
(7x+2)e3xdx=e3x3(7x+2)79e3x+C=e3x(7x3+2379)+C=e3x(21x+679)+C=e3x9(21x1)\int (7x+2)e^{3x}dx= \frac{e^{3x}}{3}(7x+2)-\frac{7}{9}e^{3x}+C = e^{3x}(\frac{7x}{3}+\frac{2}{3}-\frac{7}{9}) + C= e^{3x}(\frac{21x+6-7}{9}) +C = \frac{e^{3x}}{9}(21x-1)
(4) log(4x3)dx\int \log(4x-3) dx
部分積分を用います。log(4x3)=u,dx=dv\log(4x-3) = u, dx = dvとすると、u=44x3,v=xu' = \frac{4}{4x-3}, v = x
log(4x3)dx=xlog(4x3)x44x3dx=xlog(4x3)4x4x3dx\int \log(4x-3) dx = x\log(4x-3) - \int x \cdot \frac{4}{4x-3} dx = x\log(4x-3) - \int \frac{4x}{4x-3} dx
4x4x3=4x3+34x3=1+34x3\frac{4x}{4x-3} = \frac{4x-3+3}{4x-3} = 1 + \frac{3}{4x-3}
4x4x3dx=(1+34x3)dx=x+34log4x3\int \frac{4x}{4x-3} dx = \int (1 + \frac{3}{4x-3}) dx = x + \frac{3}{4}\log|4x-3|
log(4x3)dx=xlog(4x3)x34log4x3+C=(x34)log(4x3)x+C=(4x34)log(4x3)x+C\int \log(4x-3) dx = x\log(4x-3) - x - \frac{3}{4}\log|4x-3| + C = (x-\frac{3}{4})\log(4x-3) - x + C = (\frac{4x-3}{4})\log(4x-3) - x + C
(5) sin4xcos2xdx\int \sin 4x \cos 2x dx
三角関数の積和の公式を用います。
sinAcosB=12(sin(A+B)+sin(AB))\sin A \cos B = \frac{1}{2}(\sin(A+B) + \sin(A-B))
sin4xcos2x=12(sin6x+sin2x)\sin 4x \cos 2x = \frac{1}{2}(\sin 6x + \sin 2x)
sin4xcos2xdx=12(sin6x+sin2x)dx=12(16cos6x12cos2x)+C=112cos6x14cos2x+C\int \sin 4x \cos 2x dx = \frac{1}{2} \int (\sin 6x + \sin 2x) dx = \frac{1}{2} (-\frac{1}{6}\cos 6x - \frac{1}{2}\cos 2x) + C = -\frac{1}{12}\cos 6x - \frac{1}{4}\cos 2x + C

3. 最終的な答え

(1) x+3logx3x12x2+Cx + 3\log|x| - \frac{3}{x} - \frac{1}{2x^2} + C
(2) 13x3logx19x3+C\frac{1}{3}x^3\log x - \frac{1}{9}x^3 + C
(3) (73x19)e3x+C(\frac{7}{3}x - \frac{1}{9})e^{3x} + C
(4) (x34)log(4x3)x+C(x - \frac{3}{4})\log(4x-3) - x + C
(5) 112cos6x14cos2x+C-\frac{1}{12}\cos 6x - \frac{1}{4}\cos 2x + C
上記の答えを問題文の形式に当てはめると、
(1) 1: 3, 2: 3, 3: 2
(2) 4: 3, 5: 9
(3) 6: 21, 7: 9, 8: 9, 9: 3x
(4) 10: 4, 11: 4, 12: 3, 13: 4, 14: 3
(5) 15: 1, 16: 12, 17: 6, 18: 4, 19: 2

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