与えられた2つの積分 $I$ と $J$ を計算します。 $I = \int \frac{1}{8 + 7\cos{x} - 4\sin{x}} dx$ $J = \int_{e\sqrt{e}}^{e^6} \frac{\sqrt{(\log{x})^2 + 28}}{x} dx$

解析学積分置換積分部分分数分解三角関数双曲線関数
2025/6/14

1. 問題の内容

与えられた2つの積分 IIJJ を計算します。
I=18+7cosx4sinxdxI = \int \frac{1}{8 + 7\cos{x} - 4\sin{x}} dx
J=eee6(logx)2+28xdxJ = \int_{e\sqrt{e}}^{e^6} \frac{\sqrt{(\log{x})^2 + 28}}{x} dx

2. 解き方の手順

(1) 積分 II の計算
t=tanx2t = \tan{\frac{x}{2}} と置換すると、
cosx=1t21+t2\cos{x} = \frac{1 - t^2}{1 + t^2}, sinx=2t1+t2\sin{x} = \frac{2t}{1 + t^2}, dx=21+t2dtdx = \frac{2}{1 + t^2} dt
これらの置換を II に代入すると、
I=18+71t21+t242t1+t221+t2dtI = \int \frac{1}{8 + 7\frac{1 - t^2}{1 + t^2} - 4\frac{2t}{1 + t^2}} \frac{2}{1 + t^2} dt
I=28(1+t2)+7(1t2)8tdtI = \int \frac{2}{8(1 + t^2) + 7(1 - t^2) - 8t} dt
I=28+8t2+77t28tdtI = \int \frac{2}{8 + 8t^2 + 7 - 7t^2 - 8t} dt
I=2t28t+15dtI = \int \frac{2}{t^2 - 8t + 15} dt
I=21(t3)(t5)dtI = 2 \int \frac{1}{(t - 3)(t - 5)} dt
部分分数分解を用いて、
1(t3)(t5)=At3+Bt5\frac{1}{(t - 3)(t - 5)} = \frac{A}{t - 3} + \frac{B}{t - 5}
1=A(t5)+B(t3)1 = A(t - 5) + B(t - 3)
t=3t = 3 のとき、 1=2A    A=121 = -2A \implies A = -\frac{1}{2}
t=5t = 5 のとき、 1=2B    B=121 = 2B \implies B = \frac{1}{2}
I=2(12(t3)+12(t5))dtI = 2 \int \left( -\frac{1}{2(t - 3)} + \frac{1}{2(t - 5)} \right) dt
I=1t3dt+1t5dtI = - \int \frac{1}{t - 3} dt + \int \frac{1}{t - 5} dt
I=logt3+logt5+CI = - \log{|t - 3|} + \log{|t - 5|} + C
I=logt5t3+CI = \log{\left| \frac{t - 5}{t - 3} \right|} + C
I=logtanx25tanx23+CI = \log{\left| \frac{\tan{\frac{x}{2}} - 5}{\tan{\frac{x}{2}} - 3} \right|} + C
(2) 積分 JJ の計算
u=logxu = \log{x} と置換すると、 du=1xdxdu = \frac{1}{x} dx
x=ee=e3/2x = e\sqrt{e} = e^{3/2} のとき、 u=log(e3/2)=32u = \log{(e^{3/2})} = \frac{3}{2}
x=e6x = e^6 のとき、 u=log(e6)=6u = \log{(e^6)} = 6
J=3/26u2+28duJ = \int_{3/2}^{6} \sqrt{u^2 + 28} du
u=27sinhvu = 2\sqrt{7} \sinh{v} と置換すると、 du=27coshvdvdu = 2\sqrt{7} \cosh{v} dv
v=sinh1(u27)v = \sinh^{-1}{\left(\frac{u}{2\sqrt{7}}\right)}
u=32u = \frac{3}{2} のとき、 v1=sinh1(347)v_1 = \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)}
u=6u = 6 のとき、 v2=sinh1(627)=sinh1(37)v_2 = \sinh^{-1}{\left(\frac{6}{2\sqrt{7}}\right)} = \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)}
J=v1v2(27sinhv)2+28(27coshv)dvJ = \int_{v_1}^{v_2} \sqrt{(2\sqrt{7}\sinh{v})^2 + 28} (2\sqrt{7}\cosh{v}) dv
J=v1v228sinh2v+28(27coshv)dvJ = \int_{v_1}^{v_2} \sqrt{28\sinh^2{v} + 28} (2\sqrt{7}\cosh{v}) dv
J=v1v228(sinh2v+1)(27coshv)dvJ = \int_{v_1}^{v_2} \sqrt{28(\sinh^2{v} + 1)} (2\sqrt{7}\cosh{v}) dv
J=v1v228cosh2v(27coshv)dvJ = \int_{v_1}^{v_2} \sqrt{28\cosh^2{v}} (2\sqrt{7}\cosh{v}) dv
J=v1v227coshv(27coshv)dvJ = \int_{v_1}^{v_2} 2\sqrt{7}\cosh{v} (2\sqrt{7}\cosh{v}) dv
J=28v1v2cosh2vdvJ = 28 \int_{v_1}^{v_2} \cosh^2{v} dv
J=28v1v21+cosh2v2dvJ = 28 \int_{v_1}^{v_2} \frac{1 + \cosh{2v}}{2} dv
J=14v1v2(1+cosh2v)dvJ = 14 \int_{v_1}^{v_2} (1 + \cosh{2v}) dv
J=14[v+12sinh2v]v1v2J = 14 \left[ v + \frac{1}{2} \sinh{2v} \right]_{v_1}^{v_2}
J=14[v+sinhvcoshv]v1v2J = 14 \left[ v + \sinh{v} \cosh{v} \right]_{v_1}^{v_2}
J=14[sinh1(u27)+u271+(u27)2]3/26J = 14 \left[ \sinh^{-1}{\left(\frac{u}{2\sqrt{7}}\right)} + \frac{u}{2\sqrt{7}} \sqrt{1 + \left(\frac{u}{2\sqrt{7}}\right)^2} \right]_{3/2}^{6}
J=14[sinh1(u27)+u271+u228]3/26J = 14 \left[ \sinh^{-1}{\left(\frac{u}{2\sqrt{7}}\right)} + \frac{u}{2\sqrt{7}} \sqrt{1 + \frac{u^2}{28}} \right]_{3/2}^{6}
J=14[sinh1(627)+6271+3628sinh1(347)3471+9112]J = 14 \left[ \sinh^{-1}{\left(\frac{6}{2\sqrt{7}}\right)} + \frac{6}{2\sqrt{7}} \sqrt{1 + \frac{36}{28}} - \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} - \frac{3}{4\sqrt{7}} \sqrt{1 + \frac{9}{112}} \right]
J=14[sinh1(37)+376428sinh1(347)347121112]J = 14 \left[ \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} + \frac{3}{\sqrt{7}} \sqrt{\frac{64}{28}} - \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} - \frac{3}{4\sqrt{7}} \sqrt{\frac{121}{112}} \right]
J=14[sinh1(37)+37827sinh1(347)3471147]J = 14 \left[ \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} + \frac{3}{\sqrt{7}} \frac{8}{2\sqrt{7}} - \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} - \frac{3}{4\sqrt{7}} \frac{11}{4\sqrt{7}} \right]
J=14[sinh1(37)+127sinh1(347)33112]J = 14 \left[ \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} + \frac{12}{7} - \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} - \frac{33}{112} \right]
J=14sinh1(37)14sinh1(347)+24338J = 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} - 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} + 24 - \frac{33}{8}
J=14sinh1(37)14sinh1(347)+192338J = 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} - 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} + \frac{192 - 33}{8}
J=14sinh1(37)14sinh1(347)+1598J = 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} - 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} + \frac{159}{8}

3. 最終的な答え

I=logtanx25tanx23+CI = \log{\left| \frac{\tan{\frac{x}{2}} - 5}{\tan{\frac{x}{2}} - 3} \right|} + C
J=14sinh1(37)14sinh1(347)+1598J = 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{\sqrt{7}}\right)} - 14 \sinh^{-1}{\left(\frac{3}{4\sqrt{7}}\right)} + \frac{159}{8}

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