与えられた17個の不定積分を求める問題です。積分定数はCとします。

解析学不定積分積分部分積分置換積分三角関数対数関数指数関数
2025/5/26

1. 問題の内容

与えられた17個の不定積分を求める問題です。積分定数はCとします。

2. 解き方の手順

(1) 1x3dx\int \frac{1}{x^3} dx
x3dx=x22+C=12x2+C\int x^{-3} dx = \frac{x^{-2}}{-2} + C = -\frac{1}{2x^2} + C
(2) xxdx\int x\sqrt{x} dx
x3/2dx=x5/25/2+C=25x5/2+C\int x^{3/2} dx = \frac{x^{5/2}}{5/2} + C = \frac{2}{5}x^{5/2} + C
(3) cos3x1cos2xdx\int \frac{\cos^3 x - 1}{\cos^2 x} dx
(cosx1cos2x)dx=(cosxsec2x)dx=sinxtanx+C\int (\cos x - \frac{1}{\cos^2 x}) dx = \int (\cos x - \sec^2 x) dx = \sin x - \tan x + C
(4) (2xex)dx\int (2^x - e^x) dx
2xdxexdx=2xlog2ex+C\int 2^x dx - \int e^x dx = \frac{2^x}{\log 2} - e^x + C
(5) tanxdx\int \tan x dx
sinxcosxdx=sinxcosxdx=logcosx+C\int \frac{\sin x}{\cos x} dx = -\int \frac{-\sin x}{\cos x} dx = -\log|\cos x| + C
(6) tan23xdx\int \tan^2 3x dx
(sec23x1)dx=13tan3xx+C\int (\sec^2 3x - 1) dx = \frac{1}{3}\tan 3x - x + C
(7) (23x)3dx\int (2-3x)^3 dx
u=23xu = 2 - 3x と置くと、du=3dxdu = -3 dx。したがって、dx=13dudx = -\frac{1}{3}du
u3(13)du=13u3du=13u44+C=112(23x)4+C\int u^3 (-\frac{1}{3}) du = -\frac{1}{3} \int u^3 du = -\frac{1}{3} \frac{u^4}{4} + C = -\frac{1}{12}(2-3x)^4 + C
(8) x1xdx\int x\sqrt{1-x} dx
u=1xu = 1-x と置くと、x=1ux = 1-udu=dxdu = -dx なので、dx=dudx = -du
(1u)u(du)=(u1/2u3/2)du=u3/23/2u5/25/2+C=23u3/225u5/2+C=23(1x)3/225(1x)5/2+C\int (1-u)\sqrt{u} (-du) = \int (u^{1/2} - u^{3/2}) du = \frac{u^{3/2}}{3/2} - \frac{u^{5/2}}{5/2} + C = \frac{2}{3}u^{3/2} - \frac{2}{5}u^{5/2} + C = \frac{2}{3}(1-x)^{3/2} - \frac{2}{5}(1-x)^{5/2} + C
(9) 8sin3xcosxdx\int 8\sin^3 x \cos x dx
u=sinxu = \sin x と置くと、du=cosxdxdu = \cos x dx
8u3du=8u44+C=2u4+C=2sin4x+C\int 8u^3 du = 8 \frac{u^4}{4} + C = 2u^4 + C = 2\sin^4 x + C
(10) xlogxdx\int x\log x dx
部分積分法を使う。u=logxu = \log x, dv=xdxdv = x dx とすると、du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx, v=x22v = \frac{x^2}{2}
xlogxdx=(logx)(x22)(x22)(1x)dx=x22logxx2dx=x22logxx24+C\int x\log x dx = (\log x)(\frac{x^2}{2}) - \int (\frac{x^2}{2})(\frac{1}{x}) dx = \frac{x^2}{2}\log x - \int \frac{x}{2} dx = \frac{x^2}{2}\log x - \frac{x^2}{4} + C
(11) log(2x1)dx\int \log(2x-1) dx
部分積分法を使う。u=log(2x1)u = \log(2x-1), dv=dxdv = dx とすると、du=22x1dxdu = \frac{2}{2x-1} dx, v=xv = x
log(2x1)dx=xlog(2x1)x22x1dx=xlog(2x1)2x2x1dx=xlog(2x1)2x1+12x1dx=xlog(2x1)(1+12x1)dx=xlog(2x1)x12log2x1+C\int \log(2x-1) dx = x\log(2x-1) - \int x \frac{2}{2x-1} dx = x\log(2x-1) - \int \frac{2x}{2x-1} dx = x\log(2x-1) - \int \frac{2x-1+1}{2x-1} dx = x\log(2x-1) - \int (1 + \frac{1}{2x-1}) dx = x\log(2x-1) - x - \frac{1}{2}\log|2x-1| + C
(12) x2exdx\int x^2 e^{-x} dx
部分積分法を2回使う。
x2exdx=x2ex(2x)exdx=x2ex+2xexdx=x2ex+2(xex(ex)dx)=x2ex2xex+2exdx=x2ex2xex2ex+C=ex(x2+2x+2)+C\int x^2 e^{-x} dx = -x^2e^{-x} - \int (-2x)e^{-x} dx = -x^2e^{-x} + 2\int xe^{-x} dx = -x^2e^{-x} + 2(-xe^{-x} - \int (-e^{-x})dx) = -x^2e^{-x} - 2xe^{-x} + 2\int e^{-x} dx = -x^2e^{-x} - 2xe^{-x} - 2e^{-x} + C = -e^{-x}(x^2 + 2x + 2) + C
(13) x+3x2+3x+2dx\int \frac{x+3}{x^2+3x+2} dx
x+3(x+1)(x+2)dx=(Ax+1+Bx+2)dx\int \frac{x+3}{(x+1)(x+2)} dx = \int (\frac{A}{x+1} + \frac{B}{x+2}) dx
x+3=A(x+2)+B(x+1)x+3 = A(x+2) + B(x+1)
x=1x = -1 のとき、2=A2 = Ax=2x = -2 のとき、1=B1 = -B, B=1B = -1
(2x+11x+2)dx=2logx+1logx+2+C\int (\frac{2}{x+1} - \frac{1}{x+2}) dx = 2\log|x+1| - \log|x+2| + C
(14) cos2xdx\int \cos^2 x dx
1+cos2x2dx=12(1+cos2x)dx=12(x+12sin2x)+C=12x+14sin2x+C\int \frac{1 + \cos 2x}{2} dx = \frac{1}{2} \int (1 + \cos 2x) dx = \frac{1}{2} (x + \frac{1}{2}\sin 2x) + C = \frac{1}{2}x + \frac{1}{4}\sin 2x + C
(15) 1sinxcosxdx\int \frac{1-\sin x}{\cos x} dx
(1cosxsinxcosx)dx=(secxtanx)dx=logsecx+tanx(logcosx)+C=logsecx+tanx+logcosx+C\int (\frac{1}{\cos x} - \frac{\sin x}{\cos x}) dx = \int (\sec x - \tan x) dx = \log|\sec x + \tan x| - (-\log|\cos x|) + C = \log|\sec x + \tan x| + \log|\cos x| + C
(16) exdx\int e^{\sqrt{x}} dx
t=xt = \sqrt{x} と置くと、x=t2x = t^2dx=2tdtdx = 2t dt
et2tdt=2tetdt\int e^t 2t dt = 2\int te^t dt (部分積分)
u=tu = t, dv=etdtdv = e^t dt とすると、du=dtdu = dt, v=etv = e^t
2(tetetdt)=2(tetet)+C=2ex(x1)+C2(te^t - \int e^t dt) = 2(te^t - e^t) + C = 2e^{\sqrt{x}}(\sqrt{x} - 1) + C
(17) log(x+x2+1)dx\int \log(x + \sqrt{x^2+1}) dx
u=log(x+x2+1)u = \log(x + \sqrt{x^2+1}) と置くと、du=1+2x2x2+1x+x2+1dx=x2+1+xx2+1x+x2+1dx=1x2+1dxdu = \frac{1 + \frac{2x}{2\sqrt{x^2+1}}}{x+\sqrt{x^2+1}}dx=\frac{\frac{\sqrt{x^2+1}+x}{\sqrt{x^2+1}}}{x+\sqrt{x^2+1}}dx=\frac{1}{\sqrt{x^2+1}}dx
log(x+x2+1)dx\int \log(x + \sqrt{x^2+1}) dxの部分積分法で考える.u=log(x+x2+1)u=\log(x + \sqrt{x^2+1}), dv=dxdv=dxとすると,du=1x2+1dxdu = \frac{1}{\sqrt{x^2+1}}dx, v=xv = xとなる.
log(x+x2+1)dx=xlog(x+x2+1)xx2+1dx=xlog(x+x2+1)x2+1+C\int \log(x+\sqrt{x^2+1})dx = x\log(x+\sqrt{x^2+1})-\int \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}dx=x\log(x+\sqrt{x^2+1})-\sqrt{x^2+1}+C

3. 最終的な答え

(1) 12x2+C-\frac{1}{2x^2} + C
(2) 25x5/2+C\frac{2}{5}x^{5/2} + C
(3) sinxtanx+C\sin x - \tan x + C
(4) 2xlog2ex+C\frac{2^x}{\log 2} - e^x + C
(5) logcosx+C-\log|\cos x| + C
(6) 13tan3xx+C\frac{1}{3}\tan 3x - x + C
(7) 112(23x)4+C-\frac{1}{12}(2-3x)^4 + C
(8) 23(1x)3/225(1x)5/2+C\frac{2}{3}(1-x)^{3/2} - \frac{2}{5}(1-x)^{5/2} + C
(9) 2sin4x+C2\sin^4 x + C
(10) x22logxx24+C\frac{x^2}{2}\log x - \frac{x^2}{4} + C
(11) xlog(2x1)x12log2x1+Cx\log(2x-1) - x - \frac{1}{2}\log|2x-1| + C
(12) ex(x2+2x+2)+C-e^{-x}(x^2 + 2x + 2) + C
(13) 2logx+1logx+2+C2\log|x+1| - \log|x+2| + C
(14) 12x+14sin2x+C\frac{1}{2}x + \frac{1}{4}\sin 2x + C
(15) logsecx+tanx+logcosx+C\log|\sec x + \tan x| + \log|\cos x| + C
(16) 2ex(x1)+C2e^{\sqrt{x}}(\sqrt{x} - 1) + C
(17) xlog(x+x2+1)x2+1+Cx\log(x+\sqrt{x^2+1})-\sqrt{x^2+1}+C

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