与えられた9つの不定積分を計算する問題です。 (1) $\int \frac{dx}{\cos x}$ ($\sin x = t$ と置換) (2) $\int \sin^4 x \cos^3 x dx$ (3) $\int \frac{dx}{1 + \sin x}$ (4) $\int \frac{dx}{a^2 \cos^2 x + b^2 \sin^2 x}$ ($ab \neq 0$) (5) $\int \tan^4 x dx$ (6) $\int \frac{dx}{\sin^4 x}$ (7) $\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x + 4 \cos x}$ (8) $\int \frac{3}{\tan x (2 + \cos^2 x)} dx$ (9) $\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x}$

解析学不定積分三角関数置換積分部分分数分解積分
2025/6/13

1. 問題の内容

与えられた9つの不定積分を計算する問題です。
(1) dxcosx\int \frac{dx}{\cos x} (sinx=t\sin x = t と置換)
(2) sin4xcos3xdx\int \sin^4 x \cos^3 x dx
(3) dx1+sinx\int \frac{dx}{1 + \sin x}
(4) dxa2cos2x+b2sin2x\int \frac{dx}{a^2 \cos^2 x + b^2 \sin^2 x} (ab0ab \neq 0)
(5) tan4xdx\int \tan^4 x dx
(6) dxsin4x\int \frac{dx}{\sin^4 x}
(7) dx5+3sinx+4cosx\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x + 4 \cos x}
(8) 3tanx(2+cos2x)dx\int \frac{3}{\tan x (2 + \cos^2 x)} dx
(9) dx5+3sinx\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x}

2. 解き方の手順

(1) dxcosx\int \frac{dx}{\cos x} (sinx=t\sin x = t と置換)
sinx=t\sin x = t と置換すると、cosxdx=dt\cos x dx = dt より dx=dtcosxdx = \frac{dt}{\cos x}
cosx=1sin2x=1t2\cos x = \sqrt{1 - \sin^2 x} = \sqrt{1 - t^2} なので、
dxcosx=1cosxdtcosx=dtcos2x=dt1t2=dt(1t)(1+t)\int \frac{dx}{\cos x} = \int \frac{1}{\cos x} \frac{dt}{\cos x} = \int \frac{dt}{\cos^2 x} = \int \frac{dt}{1 - t^2} = \int \frac{dt}{(1 - t)(1 + t)}.
部分分数分解すると 11t2=12(11t+11+t)\frac{1}{1 - t^2} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{1 - t} + \frac{1}{1 + t} \right).
したがって、dt1t2=12(11t+11+t)dt=12(ln1t+ln1+t)+C=12ln1+t1t+C=12ln1+sinx1sinx+C=ln1+sinxcosx+C=lnsecx+tanx+C\int \frac{dt}{1 - t^2} = \frac{1}{2} \int \left( \frac{1}{1 - t} + \frac{1}{1 + t} \right) dt = \frac{1}{2} (-\ln|1 - t| + \ln|1 + t|) + C = \frac{1}{2} \ln \left| \frac{1 + t}{1 - t} \right| + C = \frac{1}{2} \ln \left| \frac{1 + \sin x}{1 - \sin x} \right| + C = \ln \left| \frac{1 + \sin x}{\cos x} \right| + C = \ln |\sec x + \tan x| + C.
(2) sin4xcos3xdx\int \sin^4 x \cos^3 x dx
cos3x=cos2xcosx=(1sin2x)cosx\cos^3 x = \cos^2 x \cos x = (1 - \sin^2 x) \cos x なので、
sin4xcos3xdx=sin4x(1sin2x)cosxdx\int \sin^4 x \cos^3 x dx = \int \sin^4 x (1 - \sin^2 x) \cos x dx.
t=sinxt = \sin x とおくと dt=cosxdxdt = \cos x dx
t4(1t2)dt=(t4t6)dt=t55t77+C=sin5x5sin7x7+C\int t^4 (1 - t^2) dt = \int (t^4 - t^6) dt = \frac{t^5}{5} - \frac{t^7}{7} + C = \frac{\sin^5 x}{5} - \frac{\sin^7 x}{7} + C.
(3) dx1+sinx\int \frac{dx}{1 + \sin x}
dx1+sinx=1sinx(1+sinx)(1sinx)dx=1sinx1sin2xdx=1sinxcos2xdx=(sec2xsecxtanx)dx=tanxsecx+C\int \frac{dx}{1 + \sin x} = \int \frac{1 - \sin x}{(1 + \sin x)(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.
(4) dxa2cos2x+b2sin2x\int \frac{dx}{a^2 \cos^2 x + b^2 \sin^2 x}
dxa2cos2x+b2sin2x=1cos2xdxa2+b2tan2x=sec2xa2+b2tan2xdx\int \frac{dx}{a^2 \cos^2 x + b^2 \sin^2 x} = \int \frac{1}{\cos^2 x} \frac{dx}{a^2 + b^2 \tan^2 x} = \int \frac{\sec^2 x}{a^2 + b^2 \tan^2 x} dx.
t=tanxt = \tan x とおくと dt=sec2xdxdt = \sec^2 x dx
dta2+b2t2=1b2dt(a/b)2+t2=1b21a/barctanta/b+C=1abarctanbtanxa+C\int \frac{dt}{a^2 + b^2 t^2} = \frac{1}{b^2} \int \frac{dt}{(a/b)^2 + t^2} = \frac{1}{b^2} \cdot \frac{1}{a/b} \arctan \frac{t}{a/b} + C = \frac{1}{ab} \arctan \frac{b \tan x}{a} + C.
(5) tan4xdx\int \tan^4 x dx
tan4xdx=tan2xtan2xdx=tan2x(sec2x1)dx=tan2xsec2xdxtan2xdx\int \tan^4 x dx = \int \tan^2 x \tan^2 x dx = \int \tan^2 x (\sec^2 x - 1) dx = \int \tan^2 x \sec^2 x dx - \int \tan^2 x dx.
tan2xsec2xdx=t2dt=t33=tan3x3\int \tan^2 x \sec^2 x dx = \int t^2 dt = \frac{t^3}{3} = \frac{\tan^3 x}{3} (t=tanxt = \tan x と置換)。
tan2xdx=(sec2x1)dx=tanxx\int \tan^2 x dx = \int (\sec^2 x - 1) dx = \tan x - x.
tan4xdx=tan3x3(tanxx)+C=tan3x3tanx+x+C\int \tan^4 x dx = \frac{\tan^3 x}{3} - (\tan x - x) + C = \frac{\tan^3 x}{3} - \tan x + x + C.
(6) dxsin4x\int \frac{dx}{\sin^4 x}
dxsin4x=csc4xdx=csc2x(1+cot2x)dx=csc2xdx+csc2xcot2xdx\int \frac{dx}{\sin^4 x} = \int \csc^4 x dx = \int \csc^2 x (1 + \cot^2 x) dx = \int \csc^2 x dx + \int \csc^2 x \cot^2 x dx.
csc2xdx=cotx\int \csc^2 x dx = - \cot x.
csc2xcot2xdx=cot3x3\int \csc^2 x \cot^2 x dx = - \frac{\cot^3 x}{3}.
dxsin4x=cotxcot3x3+C\int \frac{dx}{\sin^4 x} = - \cot x - \frac{\cot^3 x}{3} + C.
(7) dx5+3sinx+4cosx\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x + 4 \cos x}
t=tan(x/2)t = \tan(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=21+t2dtdx = \frac{2}{1 + t^2} dt.
dx5+3sinx+4cosx=15+32t1+t2+41t21+t221+t2dt=25(1+t2)+6t+4(1t2)dt=2t2+6t+9dt=2(t+3)2dt=2t+3+C=2tan(x/2)+3+C\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x + 4 \cos x} = \int \frac{1}{5 + 3 \frac{2t}{1 + t^2} + 4 \frac{1 - t^2}{1 + t^2}} \frac{2}{1 + t^2} dt = \int \frac{2}{5(1 + t^2) + 6t + 4(1 - t^2)} dt = \int \frac{2}{t^2 + 6t + 9} dt = \int \frac{2}{(t + 3)^2} dt = - \frac{2}{t + 3} + C = - \frac{2}{\tan(x/2) + 3} + C.
(8) 3tanx(2+cos2x)dx\int \frac{3}{\tan x (2 + \cos^2 x)} dx
3tanx(2+cos2x)dx=3cosxsinx(2+cos2x)dx=3cosxsinx(2+1sin2x)dx=3cosxsinx(3sin2x)dx\int \frac{3}{\tan x (2 + \cos^2 x)} dx = \int \frac{3 \cos x}{\sin x (2 + \cos^2 x)} dx = \int \frac{3 \cos x}{\sin x (2 + 1 - \sin^2 x)} dx = \int \frac{3 \cos x}{\sin x (3 - \sin^2 x)} dx.
t=sinxt = \sin x とおくと dt=cosxdxdt = \cos x dx.
3t(3t2)dt=(1t+t3t2)dt=lnt12ln3t2+C=lnsinx12ln3sin2x+C\int \frac{3}{t (3 - t^2)} dt = \int \left( \frac{1}{t} + \frac{t}{3 - t^2} \right) dt = \ln|t| - \frac{1}{2} \ln|3 - t^2| + C = \ln|\sin x| - \frac{1}{2} \ln|3 - \sin^2 x| + C.
(9) dx5+3sinx\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x}
t=tan(x/2)t = \tan(x/2) とおくと、sinx=2t1+t2\sin x = \frac{2t}{1 + t^2}, dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1 + t^2} dt.
dx5+3sinx=15+32t1+t221+t2dt=25(1+t2)+6tdt=25t2+6t+5dt=25dtt2+65t+1=25dt(t+35)2+1925=25dt(t+35)2+1625=2554arctan(t+3545)+C=12arctan(5t+34)+C=12arctan(5tan(x/2)+34)+C\int \frac{dx}{5 + 3 \sin x} = \int \frac{1}{5 + 3 \frac{2t}{1 + t^2}} \frac{2}{1 + t^2} dt = \int \frac{2}{5(1 + t^2) + 6t} dt = \int \frac{2}{5t^2 + 6t + 5} dt = \frac{2}{5} \int \frac{dt}{t^2 + \frac{6}{5} t + 1} = \frac{2}{5} \int \frac{dt}{(t + \frac{3}{5})^2 + 1 - \frac{9}{25}} = \frac{2}{5} \int \frac{dt}{(t + \frac{3}{5})^2 + \frac{16}{25}} = \frac{2}{5} \cdot \frac{5}{4} \arctan \left( \frac{t + \frac{3}{5}}{\frac{4}{5}} \right) + C = \frac{1}{2} \arctan \left( \frac{5t + 3}{4} \right) + C = \frac{1}{2} \arctan \left( \frac{5 \tan(x/2) + 3}{4} \right) + C.

3. 最終的な答え

(1) lnsecx+tanx+C\ln |\sec x + \tan x| + C
(2) sin5x5sin7x7+C\frac{\sin^5 x}{5} - \frac{\sin^7 x}{7} + C
(3) tanxsecx+C\tan x - \sec x + C
(4) 1abarctanbtanxa+C\frac{1}{ab} \arctan \frac{b \tan x}{a} + C
(5) tan3x3tanx+x+C\frac{\tan^3 x}{3} - \tan x + x + C
(6) cotxcot3x3+C- \cot x - \frac{\cot^3 x}{3} + C
(7) 2tan(x/2)+3+C- \frac{2}{\tan(x/2) + 3} + C
(8) lnsinx12ln3sin2x+C\ln|\sin x| - \frac{1}{2} \ln|3 - \sin^2 x| + C
(9) 12arctan(5tan(x/2)+34)+C\frac{1}{2} \arctan \left( \frac{5 \tan(x/2) + 3}{4} \right) + C

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