与えられた積分を計算する問題です。 (1) $I = \int \frac{1}{8 + 7\cos{x} - 4\sin{x}} dx$ の不定積分を計算します。 (2) $J = \int_{e\sqrt{e}}^{e^6} \frac{\sqrt{(\log{x})^2 + 28}}{x} dx$ の定積分を計算します。

解析学不定積分定積分積分三角関数置換積分双曲線関数
2025/6/14

1. 問題の内容

与えられた積分を計算する問題です。
(1) I=18+7cosx4sinxdxI = \int \frac{1}{8 + 7\cos{x} - 4\sin{x}} dx の不定積分を計算します。
(2) J=eee6(logx)2+28xdxJ = \int_{e\sqrt{e}}^{e^6} \frac{\sqrt{(\log{x})^2 + 28}}{x} dx の定積分を計算します。

2. 解き方の手順

(1) I=18+7cosx4sinxdxI = \int \frac{1}{8 + 7\cos{x} - 4\sin{x}} dx の解き方:
半角の公式 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 を用いて、積分変数を t=tanx2t = \tan{\frac{x}{2}} に変換します。
\begin{align*}
I &= \int \frac{1}{8 + 7(\frac{1 - t^2}{1 + t^2}) - 4(\frac{2t}{1 + t^2})} \frac{2}{1 + t^2} dt \\
&= \int \frac{2}{8(1 + t^2) + 7(1 - t^2) - 8t} dt \\
&= \int \frac{2}{8 + 8t^2 + 7 - 7t^2 - 8t} dt \\
&= \int \frac{2}{t^2 - 8t + 15} dt \\
&= 2 \int \frac{1}{(t - 3)(t - 5)} dt \\
&= 2 \int \frac{-1/2}{t - 3} + \frac{1/2}{t - 5} dt \\
&= -\int \frac{1}{t - 3} dt + \int \frac{1}{t - 5} dt \\
&= -\log{|t - 3|} + \log{|t - 5|} + C \\
&= \log{\left|\frac{t - 5}{t - 3}\right|} + C \\
&= \log{\left|\frac{\tan{\frac{x}{2}} - 5}{\tan{\frac{x}{2}} - 3}\right|} + C
\end{align*}
(2) J=eee6(logx)2+28xdxJ = \int_{e\sqrt{e}}^{e^6} \frac{\sqrt{(\log{x})^2 + 28}}{x} dx の解き方:
u=logxu = \log{x} とおくと、dudx=1x\frac{du}{dx} = \frac{1}{x} より dx=xdudx = x du
積分範囲は x=ee=e3/2x = e\sqrt{e} = e^{3/2} のとき u=loge3/2=32u = \log{e^{3/2}} = \frac{3}{2}
x=e6x = e^6 のとき u=loge6=6u = \log{e^6} = 6
\begin{align*}
J &= \int_{3/2}^{6} \sqrt{u^2 + 28} du \\
\end{align*}
ここで u=27sinhvu = 2\sqrt{7}\sinh{v} とおくと、du=27coshvdvdu = 2\sqrt{7}\cosh{v} dv
u2+28=28sinh2v+28=28(sinh2v+1)=28cosh2vu^2 + 28 = 28\sinh^2{v} + 28 = 28(\sinh^2{v} + 1) = 28\cosh^2{v}
u2+28=27coshv\sqrt{u^2 + 28} = 2\sqrt{7}\cosh{v}
u=32u = \frac{3}{2} のとき sinhv1=347\sinh{v_1} = \frac{3}{4\sqrt{7}}
u=6u = 6 のとき sinhv2=627=37\sinh{v_2} = \frac{6}{2\sqrt{7}} = \frac{3}{\sqrt{7}}
\begin{align*}
J &= \int_{v_1}^{v_2} 2\sqrt{7}\cosh{v} \cdot 2\sqrt{7}\cosh{v} dv \\
&= 28 \int_{v_1}^{v_2} \cosh^2{v} dv \\
&= 28 \int_{v_1}^{v_2} \frac{1 + \cosh{2v}}{2} dv \\
&= 14 \int_{v_1}^{v_2} 1 + \cosh{2v} dv \\
&= 14 \left[ v + \frac{1}{2}\sinh{2v} \right]_{v_1}^{v_2} \\
&= 14 \left[ v + \sinh{v}\cosh{v} \right]_{v_1}^{v_2}
\end{align*}
sinhv1=347\sinh{v_1} = \frac{3}{4\sqrt{7}}, coshv1=1+sinh2v1=1+9167=112+9112=121112=1147\cosh{v_1} = \sqrt{1 + \sinh^2{v_1}} = \sqrt{1 + \frac{9}{16 \cdot 7}} = \sqrt{\frac{112 + 9}{112}} = \sqrt{\frac{121}{112}} = \frac{11}{4\sqrt{7}}
sinhv2=37\sinh{v_2} = \frac{3}{\sqrt{7}}, coshv2=1+97=167=47\cosh{v_2} = \sqrt{1 + \frac{9}{7}} = \sqrt{\frac{16}{7}} = \frac{4}{\sqrt{7}}
v1=arcsinh(347)v_1 = \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}), v2=arcsinh(37)v_2 = \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}})
J=14[arcsinh(37)+3747arcsinh(347)3471147]J = 14 \left[ \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) + \frac{3}{\sqrt{7}}\cdot \frac{4}{\sqrt{7}} - \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) - \frac{3}{4\sqrt{7}}\cdot \frac{11}{4\sqrt{7}} \right]
=14[arcsinh(37)+127arcsinh(347)33167]= 14 \left[ \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) + \frac{12}{7} - \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) - \frac{33}{16 \cdot 7} \right]
=14[arcsinh(37)arcsinh(347)+12733112]= 14 \left[ \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) - \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) + \frac{12}{7} - \frac{33}{112} \right]
=14[arcsinh(37)arcsinh(347)+19233112]= 14 \left[ \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) - \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) + \frac{192 - 33}{112} \right]
=14[arcsinh(37)arcsinh(347)+159112]= 14 \left[ \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) - \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) + \frac{159}{112} \right]
=14[arcsinh(37)arcsinh(347)+159112]= 14 \left[ \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) - \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) + \frac{159}{112} \right]
=14arcsinh(37)14arcsinh(347)+1598= 14 \text{arcsinh}(\frac{3}{\sqrt{7}}) - 14 \text{arcsinh}(\frac{3}{4\sqrt{7}}) + \frac{159}{8}
=14log(37+97+1)14log(347+9167+1)+1598= 14 \log{(\frac{3}{\sqrt{7}} + \sqrt{\frac{9}{7} + 1})} - 14 \log{(\frac{3}{4\sqrt{7}} + \sqrt{\frac{9}{16\cdot 7} + 1})} + \frac{159}{8}
=14log(37+47)14log(347+1147)+1598= 14 \log{(\frac{3}{\sqrt{7}} + \frac{4}{\sqrt{7}})} - 14 \log{(\frac{3}{4\sqrt{7}} + \frac{11}{4\sqrt{7}})} + \frac{159}{8}
=14log(77)14log(1447)+1598= 14 \log{(\frac{7}{\sqrt{7}})} - 14 \log{(\frac{14}{4\sqrt{7}})} + \frac{159}{8}
=14log(7)14log(727)+1598= 14 \log{(\sqrt{7})} - 14 \log{(\frac{7}{2\sqrt{7}})} + \frac{159}{8}
=14log(7)14log(72)+1598= 14 \log{(\sqrt{7})} - 14 \log{(\frac{\sqrt{7}}{2})} + \frac{159}{8}
=14(log7log7+log2)+1598= 14 (\log{\sqrt{7}} - \log{\sqrt{7}} + \log{2}) + \frac{159}{8}
=14log2+1598= 14 \log{2} + \frac{159}{8}

3. 最終的な答え

(1) I=logtanx25tanx23+CI = \log{\left|\frac{\tan{\frac{x}{2}} - 5}{\tan{\frac{x}{2}} - 3}\right|} + C
(2) J=14log2+1598J = 14\log{2} + \frac{159}{8}

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