## 問題1

解析学不定積分積分三角関数指数関数
2025/6/5
## 問題1

1. 問題の内容

次の6つの不定積分を計算します。
(1) (x+2)3xdx\int \frac{(\sqrt{x}+2)^3}{\sqrt{x}} dx
(2) x+cos2xxcos2xdx\int \frac{x+\cos^2 x}{x \cos^2 x} dx
(3) cos2xdx\int \cos^2 x dx
(4) (sinx+1sinx)2dx\int (\sin x + \frac{1}{\sin x})^2 dx
(5) sinmxcosnxdx\int \sin mx \cdot \cos nx dx (ただし、m,nm, n は自然数)
(6) (ex+ex)2dx\int (e^x + e^{-x})^2 dx
## 解き方の手順
(1) (x+2)3xdx\int \frac{(\sqrt{x}+2)^3}{\sqrt{x}} dx
x=t\sqrt{x} = t と置換すると、x=t2x = t^2, dx=2tdtdx = 2t dt より、
\begin{align*} \label{eq:1} \int \frac{(t+2)^3}{t} 2t dt &= 2 \int (t+2)^3 dt \\ &= 2 \int (t^3 + 6t^2 + 12t + 8) dt \\ &= 2 \left( \frac{1}{4} t^4 + 2t^3 + 6t^2 + 8t \right) + C \\ &= \frac{1}{2} x^2 + 4x\sqrt{x} + 12x + 16\sqrt{x} + C\end{align*}
(2) x+cos2xxcos2xdx=(1cos2x+1x)dx=(sec2x+1x)dx=tanx+lnx+C\int \frac{x+\cos^2 x}{x \cos^2 x} dx = \int \left( \frac{1}{\cos^2 x} + \frac{1}{x} \right) dx = \int (\sec^2 x + \frac{1}{x}) dx = \tan x + \ln |x| + C
(3) cos2xdx=1+cos2x2dx=12x+14sin2x+C\int \cos^2 x dx = \int \frac{1+\cos 2x}{2} dx = \frac{1}{2} x + \frac{1}{4} \sin 2x + C
(4) (sinx+1sinx)2dx=(sin2x+2+1sin2x)dx=(sin2x+2+csc2x)dx\int (\sin x + \frac{1}{\sin x})^2 dx = \int (\sin^2 x + 2 + \frac{1}{\sin^2 x}) dx = \int (\sin^2 x + 2 + \csc^2 x) dx
sin2xdx=1cos2x2dx=12x14sin2x+C\int \sin^2 x dx = \int \frac{1-\cos 2x}{2} dx = \frac{1}{2} x - \frac{1}{4} \sin 2x + C
csc2xdx=cotx+C\int \csc^2 x dx = - \cot x + C
よって、(sin2x+2+csc2x)dx=12x14sin2x+2xcotx+C=52x14sin2xcotx+C\int (\sin^2 x + 2 + \csc^2 x) dx = \frac{1}{2} x - \frac{1}{4} \sin 2x + 2x - \cot x + C = \frac{5}{2} x - \frac{1}{4} \sin 2x - \cot x + C
(5) sinmxcosnxdx=12(sin(m+n)x+sin(mn)x)dx\int \sin mx \cos nx dx = \frac{1}{2} \int (\sin(m+n)x + \sin(m-n)x) dx
12(sin(m+n)x+sin(mn)x)dx=12(cos(m+n)xm+ncos(mn)xmn)+C=cos(m+n)x2(m+n)cos(mn)x2(mn)+C\frac{1}{2} \int (\sin(m+n)x + \sin(m-n)x) dx = \frac{1}{2} \left( - \frac{\cos(m+n)x}{m+n} - \frac{\cos(m-n)x}{m-n} \right) + C = - \frac{\cos(m+n)x}{2(m+n)} - \frac{\cos(m-n)x}{2(m-n)} + C (ただし、mnm \neq n
もしm=nm = nなら、
sinmxcosmxdx=12sin2mxdx=cos2mx4m+C\int \sin mx \cos mx dx = \frac{1}{2} \int \sin 2mx dx = - \frac{\cos 2mx}{4m} + C
(6) (ex+ex)2dx=(e2x+2+e2x)dx=12e2x+2x12e2x+C\int (e^x + e^{-x})^2 dx = \int (e^{2x} + 2 + e^{-2x}) dx = \frac{1}{2} e^{2x} + 2x - \frac{1}{2} e^{-2x} + C
## 最終的な答え
(1) 12x2+4xx+12x+16x+C\frac{1}{2} x^2 + 4x\sqrt{x} + 12x + 16\sqrt{x} + C
(2) tanx+lnx+C\tan x + \ln |x| + C
(3) 12x+14sin2x+C\frac{1}{2} x + \frac{1}{4} \sin 2x + C
(4) 52x14sin2xcotx+C\frac{5}{2} x - \frac{1}{4} \sin 2x - \cot x + C
(5) cos(m+n)x2(m+n)cos(mn)x2(mn)+C- \frac{\cos(m+n)x}{2(m+n)} - \frac{\cos(m-n)x}{2(m-n)} + C (mnm \neq nのとき) または cos2mx4m+C- \frac{\cos 2mx}{4m} + C (m=nm=nのとき)
(6) 12e2x+2x12e2x+C\frac{1}{2} e^{2x} + 2x - \frac{1}{2} e^{-2x} + C

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