与えられた不定積分の中から、以下の問題を解きます。 (1) $\int \frac{x+1}{x^2+x-6} dx$ (2) $\int \sin 2x \cos 3x dx$ (3) $\int \frac{\sqrt{x+2} - \sqrt{2}}{x} dx$ (4) $\int \frac{x^2}{\sqrt{x-1}} dx$ (5) $\int \frac{\sin x}{\cos^3 x} dx$ (6) $\int 2x^2 e^x dx$

解析学不定積分部分分数分解三角関数の積分置換積分部分積分
2025/6/16

1. 問題の内容

与えられた不定積分の中から、以下の問題を解きます。
(1) x+1x2+x6dx\int \frac{x+1}{x^2+x-6} dx
(2) sin2xcos3xdx\int \sin 2x \cos 3x dx
(3) x+22xdx\int \frac{\sqrt{x+2} - \sqrt{2}}{x} dx
(4) x2x1dx\int \frac{x^2}{\sqrt{x-1}} dx
(5) sinxcos3xdx\int \frac{\sin x}{\cos^3 x} dx
(6) 2x2exdx\int 2x^2 e^x dx

2. 解き方の手順

(1) 部分分数分解を行います。
x2+x6=(x+3)(x2)x^2 + x - 6 = (x+3)(x-2)なので、
x+1x2+x6=Ax+3+Bx2\frac{x+1}{x^2+x-6} = \frac{A}{x+3} + \frac{B}{x-2}とおく。
x+1=A(x2)+B(x+3)x+1 = A(x-2) + B(x+3)
x=2x=2のとき、3=5B3 = 5BよりB=35B = \frac{3}{5}
x=3x=-3のとき、2=5A-2 = -5AよりA=25A = \frac{2}{5}
x+1x2+x6dx=(2/5x+3+3/5x2)dx\int \frac{x+1}{x^2+x-6} dx = \int (\frac{2/5}{x+3} + \frac{3/5}{x-2}) dx
=251x+3dx+351x2dx= \frac{2}{5} \int \frac{1}{x+3} dx + \frac{3}{5} \int \frac{1}{x-2} dx
=25lnx+3+35lnx2+C= \frac{2}{5} \ln|x+3| + \frac{3}{5} \ln|x-2| + C
(2) 積を和の形に直します。
sin2xcos3x=12(sin(2x+3x)+sin(2x3x))=12(sin5xsinx)\sin 2x \cos 3x = \frac{1}{2} (\sin (2x+3x) + \sin (2x-3x)) = \frac{1}{2} (\sin 5x - \sin x)
sin2xcos3xdx=12(sin5xsinx)dx\int \sin 2x \cos 3x dx = \frac{1}{2} \int (\sin 5x - \sin x) dx
=12(15cos5x+cosx)+C= \frac{1}{2} (-\frac{1}{5} \cos 5x + \cos x) + C
=110cos5x+12cosx+C= -\frac{1}{10} \cos 5x + \frac{1}{2} \cos x + C
(3) t=x+2t = \sqrt{x+2}とおくと、t2=x+2t^2 = x+2x=t22x = t^2-2dx=2tdtdx = 2t dt
x+22xdx=t2t222tdt=2t(t2)t22dt=2t22tt22dt\int \frac{\sqrt{x+2} - \sqrt{2}}{x} dx = \int \frac{t - \sqrt{2}}{t^2-2} 2t dt = 2 \int \frac{t(t-\sqrt{2})}{t^2 - 2} dt = 2 \int \frac{t^2 - \sqrt{2}t}{t^2 - 2} dt
=2(1+2t+2t22)dt=2dt+22t+2(t2)(t+2)dt= 2 \int (1 + \frac{-\sqrt{2}t+2}{t^2-2}) dt = 2 \int dt + 2 \int \frac{-\sqrt{2}t+2}{(t-\sqrt{2})(t+\sqrt{2})} dt
2t+2(t2)(t+2)=At2+Bt+2\frac{-\sqrt{2}t+2}{(t-\sqrt{2})(t+\sqrt{2})} = \frac{A}{t-\sqrt{2}} + \frac{B}{t+\sqrt{2}}とおくと
2t+2=A(t+2)+B(t2)-\sqrt{2}t+2 = A(t+\sqrt{2}) + B(t-\sqrt{2})
t=2t = \sqrt{2}のとき、 0=22A0 = 2\sqrt{2}AよりA=0A = 0
t=2t = -\sqrt{2}のとき、4=22B4 = -2\sqrt{2}BよりB=2B = -\sqrt{2}
=2dt+22t+2dt=2t22lnt+2+C=2x+222lnx+2+2+C= 2 \int dt + 2 \int \frac{-\sqrt{2}}{t+\sqrt{2}} dt = 2t - 2\sqrt{2} \ln |t+\sqrt{2}| + C = 2\sqrt{x+2} - 2\sqrt{2} \ln |\sqrt{x+2} + \sqrt{2}| + C
(4) t=x1t = \sqrt{x-1}とおくと、t2=x1t^2 = x-1x=t2+1x = t^2 + 1dx=2tdtdx = 2t dt
x2x1dx=(t2+1)2t2tdt=2(t4+2t2+1)dt\int \frac{x^2}{\sqrt{x-1}} dx = \int \frac{(t^2+1)^2}{t} 2t dt = 2 \int (t^4 + 2t^2 + 1) dt
=2(15t5+23t3+t)+C=25(x1)52+43(x1)32+2x1+C= 2(\frac{1}{5}t^5 + \frac{2}{3}t^3 + t) + C = \frac{2}{5}(x-1)^{\frac{5}{2}} + \frac{4}{3}(x-1)^{\frac{3}{2}} + 2\sqrt{x-1} + C
(5) t=cosxt = \cos xとおくと、dt=sinxdxdt = -\sin x dx
sinxcos3xdx=1t3dt=t3dt=12t2+C=12cos2x+C\int \frac{\sin x}{\cos^3 x} dx = \int \frac{-1}{t^3} dt = \int -t^{-3} dt = \frac{1}{2}t^{-2} + C = \frac{1}{2\cos^2 x} + C
(6) 部分積分を繰り返します。
2x2exdx=2x2exdx\int 2x^2 e^x dx = 2\int x^2 e^x dx
u=x2,dv=exdxu = x^2, dv = e^x dxとおくと、du=2xdx,v=exdu = 2x dx, v = e^x
2(x2ex2xexdx)=2x2ex4xexdx2(x^2 e^x - \int 2x e^x dx) = 2x^2 e^x - 4\int x e^x dx
u=x,dv=exdxu = x, dv = e^x dxとおくと、du=dx,v=exdu = dx, v = e^x
2x2ex4(xexexdx)=2x2ex4xex+4ex+C=2ex(x22x+2)+C2x^2 e^x - 4(xe^x - \int e^x dx) = 2x^2 e^x - 4xe^x + 4e^x + C = 2e^x(x^2 - 2x + 2) + C

3. 最終的な答え

(1) 25lnx+3+35lnx2+C\frac{2}{5} \ln|x+3| + \frac{3}{5} \ln|x-2| + C
(2) 110cos5x+12cosx+C-\frac{1}{10} \cos 5x + \frac{1}{2} \cos x + C
(3) 2x+222lnx+2+2+C2\sqrt{x+2} - 2\sqrt{2} \ln |\sqrt{x+2} + \sqrt{2}| + C
(4) 25(x1)52+43(x1)32+2x1+C\frac{2}{5}(x-1)^{\frac{5}{2}} + \frac{4}{3}(x-1)^{\frac{3}{2}} + 2\sqrt{x-1} + C
(5) 12cos2x+C\frac{1}{2\cos^2 x} + C
(6) 2ex(x22x+2)+C2e^x(x^2 - 2x + 2) + C

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