(1) $\frac{1}{x^4+1}$ を $\frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{2}x+1}$ のように部分分数分解したときの係数 $A, B, C, D$ を求める。 (2) 定積分 $\int_{0}^{1} \frac{dx}{x^4+1}$ の値を求める。

解析学部分分数分解定積分積分有理関数の積分arctan
2025/6/22

1. 問題の内容

(1) 1x4+1\frac{1}{x^4+1}Ax+Bx2+2x+1+Cx+Dx22x+1\frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{2}x+1} のように部分分数分解したときの係数 A,B,C,DA, B, C, D を求める。
(2) 定積分 01dxx4+1\int_{0}^{1} \frac{dx}{x^4+1} の値を求める。

2. 解き方の手順

(1) 部分分数分解
与えられた式より、
1=(Ax+B)(x22x+1)+(Cx+D)(x2+2x+1)1 = (Ax+B)(x^2-\sqrt{2}x+1) + (Cx+D)(x^2+\sqrt{2}x+1)
右辺を展開して整理すると、
1=(A+C)x3+(2A+B+2C+D)x2+(A2B+C+2D)x+(B+D)1 = (A+C)x^3 + (-\sqrt{2}A+B+\sqrt{2}C+D)x^2 + (A-\sqrt{2}B+C+\sqrt{2}D)x + (B+D)
係数を比較して、
A+C=0A+C=0
2A+B+2C+D=0-\sqrt{2}A+B+\sqrt{2}C+D=0
A2B+C+2D=0A-\sqrt{2}B+C+\sqrt{2}D=0
B+D=1B+D=1
A+C=0A+C=0 より C=AC=-A。これを他の式に代入すると、
2A+B2A+D=0-\sqrt{2}A+B-\sqrt{2}A+D=0
A2BA+2D=0A-\sqrt{2}B-A+\sqrt{2}D=0
B+D=1B+D=1
整理して、
22A+B+D=0-2\sqrt{2}A+B+D=0
2B+2D=0-\sqrt{2}B+\sqrt{2}D=0
B+D=1B+D=1
2B+2D=0-\sqrt{2}B+\sqrt{2}D=0 より B=DB=DB+D=1B+D=1 より B=D=12B=D=\frac{1}{2}
22A+12+12=0-2\sqrt{2}A + \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 0
22A=1-2\sqrt{2}A = -1
A=122=24A = \frac{1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{4}
C=A=24C = -A = -\frac{\sqrt{2}}{4}
よって、
A=24,B=12,C=24,D=12A=\frac{\sqrt{2}}{4}, B=\frac{1}{2}, C=-\frac{\sqrt{2}}{4}, D=\frac{1}{2}
(2) 定積分の計算
(1)の結果を用いて積分を計算する。
01dxx4+1=01(24x+12x2+2x+1+24x+12x22x+1)dx\int_{0}^{1} \frac{dx}{x^4+1} = \int_{0}^{1} \left( \frac{\frac{\sqrt{2}}{4}x+\frac{1}{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{-\frac{\sqrt{2}}{4}x+\frac{1}{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} \right) dx
01dxx4+1=2401(x+2x2+2x+1+x+2x22x+1)dx\int_{0}^{1} \frac{dx}{x^4+1} = \frac{\sqrt{2}}{4} \int_{0}^{1} \left( \frac{x+\sqrt{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{-x+\sqrt{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} \right) dx
01dxx4+1=2401(x+22x2+2x+1+22x2+2x+1+x+22x22x+1+22x22x+1)dx\int_{0}^{1} \frac{dx}{x^4+1} = \frac{\sqrt{2}}{4} \int_{0}^{1} \left( \frac{x+\frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{-x+\frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} + \frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} \right) dx
01dxx4+1=24[12ln(x2+2x+1)12ln(x22x+1)+arctan(2x+1)+arctan(2x1)]01\int_{0}^{1} \frac{dx}{x^4+1} = \frac{\sqrt{2}}{4} \left[ \frac{1}{2}\ln(x^2+\sqrt{2}x+1) - \frac{1}{2}\ln(x^2-\sqrt{2}x+1) + \arctan(\sqrt{2}x+1) + \arctan(\sqrt{2}x-1) \right]_{0}^{1}
=24[12ln(2+222)+arctan(1+2)arctan(12)]=\frac{\sqrt{2}}{4}[\frac{1}{2} \ln(\frac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}}) + arctan(1+\sqrt{2})-arctan(1-\sqrt{2})]
=24[12ln((2+2)242)+arctan(1+2)arctan(12)]=\frac{\sqrt{2}}{4}[\frac{1}{2} \ln(\frac{(2+\sqrt{2})^2}{4-2}) + arctan(1+\sqrt{2})-arctan(1-\sqrt{2})]
=24[12ln(4+42+22)+arctan(1+2)arctan(12)]=\frac{\sqrt{2}}{4}[\frac{1}{2} \ln(\frac{4+4\sqrt{2}+2}{2}) + arctan(1+\sqrt{2})-arctan(1-\sqrt{2})]
=24[12ln(3+22)+arctan(1+2)arctan(12)]=\frac{\sqrt{2}}{4}[\frac{1}{2} \ln(3+2\sqrt{2}) + arctan(1+\sqrt{2})-arctan(1-\sqrt{2})]
=24[12ln((1+2)2)+arctan(1+2)arctan(12)]=\frac{\sqrt{2}}{4}[\frac{1}{2} \ln((1+\sqrt{2})^2) + arctan(1+\sqrt{2})-arctan(1-\sqrt{2})]
=24[ln(1+2)+arctan(1+2)arctan(12)]=\frac{\sqrt{2}}{4}[\ln(1+\sqrt{2}) + arctan(1+\sqrt{2})-arctan(1-\sqrt{2})]
arctan(1+sqrt(2))-arctan(1-sqrt(2)) = 3 pi/8
=24[ln(1+2)+3π8]= \frac{\sqrt{2}}{4}[\ln(1+\sqrt{2}) + \frac{3\pi}{8}]
=24ln(1+2)+32π32=\frac{\sqrt{2}}{4}\ln(1+\sqrt{2})+\frac{3\sqrt{2}\pi}{32}

3. 最終的な答え

(1) A=24,B=12,C=24,D=12A=\frac{\sqrt{2}}{4}, B=\frac{1}{2}, C=-\frac{\sqrt{2}}{4}, D=\frac{1}{2}
(2) 24ln(1+2)+32π32\frac{\sqrt{2}}{4}\ln(1+\sqrt{2})+\frac{3\sqrt{2}\pi}{32}
またはπ2+22ln(1+2)8\frac{\pi\sqrt{2}+2\sqrt{2}\ln(1+\sqrt{2})}{8}
28(ln(1+2)+3π4)\frac{\sqrt{2}}{8}(\ln(1+\sqrt{2})+\frac{3\pi}{4})
または28ln(3+22)+2π438=π2+22ln(1+2)8\frac{\sqrt{2}}{8}ln(3+2\sqrt{2}) + \frac{\sqrt{2}\pi}{4} \cdot \frac{3}{8} = \frac{\pi\sqrt{2}+2\sqrt{2}ln(1+\sqrt{2})}{8}
最終答え:
(1)A=24,B=12,C=24,D=12A = \frac{\sqrt{2}}{4}, B = \frac{1}{2}, C = -\frac{\sqrt{2}}{4}, D = \frac{1}{2}
(2)π28+24ln(1+2)\frac{\pi\sqrt{2}}{8}+\frac{\sqrt{2}}{4}\ln(1+\sqrt{2})
または、 28[π+2ln(1+2)]\frac{\sqrt{2}}{8}[\pi + 2 ln(1+\sqrt{2})]

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