(1) $\frac{1}{x^4+1}$ を $\frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{2}x+1}$ と部分分数分解したときの係数 $A$, $B$, $C$, $D$ を求めよ。 (2) $\int_0^1 \frac{dx}{x^4+1}$ の値を求めよ。

解析学部分分数分解定積分積分arctan
2025/6/24

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} と部分分数分解したときの係数 AA, BB, CC, DD を求めよ。
(2) 01dxx4+1\int_0^1 \frac{dx}{x^4+1} の値を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) 1x4+1=Ax+Bx2+2x+1+Cx+Dx22x+1\frac{1}{x^4+1} = \frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{2}x+1} の両辺に x4+1=(x2+2x+1)(x22x+1)x^4+1 = (x^2+\sqrt{2}x+1)(x^2-\sqrt{2}x+1) を掛けると、
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)
1=Ax32Ax2+Ax+Bx22Bx+B+Cx3+2Cx2+Cx+Dx2+2Dx+D1 = Ax^3 - \sqrt{2}Ax^2 + Ax + Bx^2 - \sqrt{2}Bx + B + Cx^3 + \sqrt{2}Cx^2 + Cx + Dx^2 + \sqrt{2}Dx + D
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)
係数を比較すると、
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
B+D=1B+D=1 より D=1BD=1-B
2A+B2A+1B=0-\sqrt{2}A+B-\sqrt{2}A+1-B = 0
22A=1-2\sqrt{2}A = -1
A=122=24A = \frac{1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{4}
C=24C = -\frac{\sqrt{2}}{4}
A2B+C+2D=0A-\sqrt{2}B+C+\sqrt{2}D = 0
242B24+2(1B)=0\frac{\sqrt{2}}{4}-\sqrt{2}B-\frac{\sqrt{2}}{4}+\sqrt{2}(1-B) = 0
2B+22B=0-\sqrt{2}B + \sqrt{2} - \sqrt{2}B = 0
22B=22\sqrt{2}B = \sqrt{2}
B=12B = \frac{1}{2}
D=112=12D = 1-\frac{1}{2} = \frac{1}{2}
よって、A=24A=\frac{\sqrt{2}}{4}, B=12B=\frac{1}{2}, C=24C=-\frac{\sqrt{2}}{4}, D=12D=\frac{1}{2}
(2) 01dxx4+1=0124x+12x2+2x+1+24x+12x22x+1dx\int_0^1 \frac{dx}{x^4+1} = \int_0^1 \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} dx
=2401x+2x2+2x+1+x+2x22x+1dx= \frac{\sqrt{2}}{4} \int_0^1 \frac{x+\sqrt{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{-x+\sqrt{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} dx
=2401x+22+22x2+2x+1+(x22)+22x22x+1dx= \frac{\sqrt{2}}{4} \int_0^1 \frac{x+\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{-(x-\frac{\sqrt{2}}{2}) + \frac{\sqrt{2}}{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} dx
=24[12log(x2+2x+1)+2arctan(2x+1)12log(x22x+1)+2arctan(2x1)]01= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log(x^2+\sqrt{2}x+1) + \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}x+1) - \frac{1}{2} \log(x^2-\sqrt{2}x+1) + \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}x-1)]_0^1
=24[12log(2+2)+2arctan(2+1)12log(22)+2arctan(21)(12log(1)+2arctan(1)12log(1)+2arctan(1))]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log(2+\sqrt{2}) + \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}+1) - \frac{1}{2} \log(2-\sqrt{2}) + \sqrt{2} \arctan(\sqrt{2}-1) - (\frac{1}{2} \log(1) + \sqrt{2} \arctan(1) - \frac{1}{2} \log(1) + \sqrt{2} \arctan(-1))]
=24[12log(2+222)+2(arctan(2+1)+arctan(21))2(π4π4)]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log(\frac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}}) + \sqrt{2} (\arctan(\sqrt{2}+1) + \arctan(\sqrt{2}-1)) - \sqrt{2} (\frac{\pi}{4}-\frac{\pi}{4})]
=24[12log((2+2)242)+2(arctan(2+1)+arctan(21))]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log(\frac{(2+\sqrt{2})^2}{4-2}) + \sqrt{2} (\arctan(\sqrt{2}+1) + \arctan(\sqrt{2}-1)) ]
=24[12log(4+42+22)+2π2]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log(\frac{4+4\sqrt{2}+2}{2}) + \sqrt{2} \frac{\pi}{2} ]
=24[12log(3+22)+2π2]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log(3+2\sqrt{2}) + \sqrt{2} \frac{\pi}{2} ]
=24[12log((1+2)2)+2π2]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\frac{1}{2} \log((1+\sqrt{2})^2) + \frac{\sqrt{2}\pi}{2} ]
=24[log(1+2)+2π2]= \frac{\sqrt{2}}{4} [\log(1+\sqrt{2}) + \frac{\sqrt{2}\pi}{2}]
=24log(1+2)+π4= \frac{\sqrt{2}}{4} \log(1+\sqrt{2}) + \frac{\pi}{4}

3. 最終的な答え

(1) A=24A = \frac{\sqrt{2}}{4}, B=12B = \frac{1}{2}, C=24C = -\frac{\sqrt{2}}{4}, D=12D = \frac{1}{2}
(2) 24log(1+2)+π4\frac{\sqrt{2}}{4} \log(1+\sqrt{2}) + \frac{\pi}{4}

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