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

解析学不定積分積分置換積分部分積分三角関数
2025/5/21

1. 問題の内容

与えられた不定積分を計算する問題です。
2) 3x+23x2+6x+4dx\int \frac{3x+2}{3x^2+6x+4} dx
3) xsin1x(1x2)3/2dx\int \frac{x \sin^{-1}x}{(1-x^2)^{3/2}} dx
4) 2excos2xdx\int 2e^x \cos^2x dx
5) tan1(3x)dx\int \tan^{-1}(3x) dx

2. 解き方の手順

2) 3x+23x2+6x+4dx\int \frac{3x+2}{3x^2+6x+4} dx
分母を u=3x2+6x+4u = 3x^2+6x+4 とおくと、du=(6x+6)dx=2(3x+3)dxdu = (6x+6)dx = 2(3x+3)dx となります。
よって、与式は
3x+23x2+6x+4dx=3x+313x2+6x+4dx=3x+33x2+6x+4dx13x2+6x+4dx\int \frac{3x+2}{3x^2+6x+4} dx = \int \frac{3x+3 - 1}{3x^2+6x+4} dx = \int \frac{3x+3}{3x^2+6x+4} dx - \int \frac{1}{3x^2+6x+4} dx
=122(3x+3)3x2+6x+4dx13(x2+2x)+4dx= \frac{1}{2} \int \frac{2(3x+3)}{3x^2+6x+4} dx - \int \frac{1}{3(x^2+2x)+4} dx
=12duu13(x2+2x+1)+43dx= \frac{1}{2} \int \frac{du}{u} - \int \frac{1}{3(x^2+2x+1) + 4 - 3} dx
=12lnu13(x+1)2+1dx= \frac{1}{2} \ln|u| - \int \frac{1}{3(x+1)^2+1} dx
=12ln3x2+6x+4131(x+1)2+13dx= \frac{1}{2} \ln|3x^2+6x+4| - \frac{1}{3} \int \frac{1}{(x+1)^2+\frac{1}{3}} dx
v=x+1v = x+1 とすると、dv=dxdv = dx なので、
=12ln3x2+6x+4131v2+13dv= \frac{1}{2} \ln|3x^2+6x+4| - \frac{1}{3} \int \frac{1}{v^2+\frac{1}{3}} dv
=12ln3x2+6x+413113tan1(v13)+C= \frac{1}{2} \ln|3x^2+6x+4| - \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{\sqrt{\frac{1}{3}}} \tan^{-1}\left(\frac{v}{\sqrt{\frac{1}{3}}}\right) + C
=12ln3x2+6x+413tan1(3(x+1))+C= \frac{1}{2} \ln|3x^2+6x+4| - \frac{1}{\sqrt{3}} \tan^{-1}(\sqrt{3}(x+1)) + C
3) xsin1x(1x2)3/2dx\int \frac{x \sin^{-1}x}{(1-x^2)^{3/2}} dx
sin1x=t\sin^{-1}x = t とおくと、x=sintx = \sin tdx=costdtdx = \cos t dt
xsin1x(1x2)3/2dx=sintt(1sin2t)3/2costdt=sintt(cos2t)3/2costdt=sinttcos3tcostdt=sintcos2ttdt\int \frac{x \sin^{-1}x}{(1-x^2)^{3/2}} dx = \int \frac{\sin t \cdot t}{(1-\sin^2t)^{3/2}} \cos t dt = \int \frac{\sin t \cdot t}{(\cos^2t)^{3/2}} \cos t dt = \int \frac{\sin t \cdot t}{\cos^3t} \cos t dt = \int \frac{\sin t}{\cos^2t} t dt
u=1costu = \frac{1}{\cos t}, dv=tsintdtdv = t \sin t dt, du=sintcos2tdtdu = \frac{\sin t}{\cos^2 t}dt, v=t(cost)(cost)dt=tcost+sintv = t(-\cos t) - \int (-\cos t) dt = -t\cos t + \sin t
sintcos2ttdt=t(cost)2sintdt=ututdx\int \frac{\sin t}{\cos^2t} t dt = \int t (\cos t)^{-2} \sin t dt = ut - \int u' t dx
Let u=sin1xu = \sin^{-1} x. Then x=sinux = \sin u, dx=cosududx = \cos u du.
xsin1x(1x2)3/2dx=sinuu(1sin2u)3/2cosudu=sinuucos3ucosudu=usinucos2udu\int \frac{x \sin^{-1}x}{(1-x^2)^{3/2}} dx = \int \frac{\sin u \cdot u}{(1-\sin^2 u)^{3/2}} \cos u du = \int \frac{\sin u \cdot u}{\cos^3 u} \cos u du = \int \frac{u \sin u}{\cos^2 u} du.
Let v=uv = u, dw=sinucos2ududw = \frac{\sin u}{\cos^2 u} du. Then dv=dudv = du, w=1cosuw = \frac{1}{\cos u}.
usinucos2udu=ucosu1cosudu=sin1x1x2cosucos2udu=sin1x1x2cosu1sin2udu=sin1x1x2cosu1x2du\int \frac{u \sin u}{\cos^2 u} du = \frac{u}{\cos u} - \int \frac{1}{\cos u} du = \frac{\sin^{-1} x}{\sqrt{1-x^2}} - \int \frac{\cos u}{\cos^2 u} du = \frac{\sin^{-1} x}{\sqrt{1-x^2}} - \int \frac{\cos u}{1-\sin^2 u} du = \frac{\sin^{-1} x}{\sqrt{1-x^2}} - \int \frac{\cos u}{1-x^2} du
=sin1x1x211x2dx=sin1x1x212ln1+x1x+C= \frac{\sin^{-1} x}{\sqrt{1-x^2}} - \int \frac{1}{1-x^2} dx = \frac{\sin^{-1} x}{\sqrt{1-x^2}} - \frac{1}{2} \ln|\frac{1+x}{1-x}| + C
4) 2excos2xdx\int 2e^x \cos^2x dx
cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} より、
2excos2xdx=2ex1+cos2x2dx=ex(1+cos2x)dx=exdx+excos2xdx\int 2e^x \cos^2x dx = \int 2e^x \frac{1 + \cos 2x}{2} dx = \int e^x (1+\cos 2x) dx = \int e^x dx + \int e^x \cos 2x dx
excos2xdx=excos2xex(2sin2x)dx=excos2x+2exsin2xdx\int e^x \cos 2x dx = e^x \cos 2x - \int e^x (-2\sin 2x) dx = e^x \cos 2x + 2\int e^x \sin 2x dx
=excos2x+2(exsin2xex(2cos2x)dx)=excos2x+2exsin2x4excos2xdx= e^x \cos 2x + 2(e^x \sin 2x - \int e^x (2\cos 2x) dx) = e^x \cos 2x + 2e^x \sin 2x - 4 \int e^x \cos 2x dx
5excos2xdx=excos2x+2exsin2x5 \int e^x \cos 2x dx = e^x \cos 2x + 2e^x \sin 2x
excos2xdx=15ex(cos2x+2sin2x)\int e^x \cos 2x dx = \frac{1}{5} e^x (\cos 2x + 2\sin 2x)
ex(1+cos2x)dx=ex+15ex(cos2x+2sin2x)+C=ex(1+15cos2x+25sin2x)+C\int e^x (1+\cos 2x) dx = e^x + \frac{1}{5} e^x (\cos 2x + 2\sin 2x) + C = e^x (1 + \frac{1}{5} \cos 2x + \frac{2}{5} \sin 2x) + C
5) tan1(3x)dx\int \tan^{-1}(3x) dx
u=tan1(3x)u = \tan^{-1}(3x), dv=dxdv = dx. Then du=31+(3x)2dx=31+9x2dxdu = \frac{3}{1+(3x)^2} dx = \frac{3}{1+9x^2} dx, v=xv = x.
tan1(3x)dx=xtan1(3x)3x1+9x2dx=xtan1(3x)1618x1+9x2dx\int \tan^{-1}(3x) dx = x\tan^{-1}(3x) - \int \frac{3x}{1+9x^2} dx = x\tan^{-1}(3x) - \frac{1}{6} \int \frac{18x}{1+9x^2} dx
w=1+9x2w = 1+9x^2, dw=18xdxdw = 18x dx
=xtan1(3x)161wdw=xtan1(3x)16lnw+C=xtan1(3x)16ln1+9x2+C= x\tan^{-1}(3x) - \frac{1}{6} \int \frac{1}{w} dw = x\tan^{-1}(3x) - \frac{1}{6} \ln|w| + C = x\tan^{-1}(3x) - \frac{1}{6} \ln|1+9x^2| + C

3. 最終的な答え

2) 12ln3x2+6x+413tan1(3(x+1))+C\frac{1}{2} \ln|3x^2+6x+4| - \frac{1}{\sqrt{3}} \tan^{-1}(\sqrt{3}(x+1)) + C
3) sin1x1x212ln1+x1x+C\frac{\sin^{-1} x}{\sqrt{1-x^2}} - \frac{1}{2} \ln|\frac{1+x}{1-x}| + C
4) ex(1+15cos2x+25sin2x)+Ce^x (1 + \frac{1}{5} \cos 2x + \frac{2}{5} \sin 2x) + C
5) xtan1(3x)16ln(1+9x2)+Cx\tan^{-1}(3x) - \frac{1}{6} \ln(1+9x^2) + C

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