(1) $\frac{1}{x^4+1}$ を $\frac{1}{x^4+1} = \frac{Ax+B}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{Cx+D}{x^2-\sqrt{2}x+1}$ のように部分分数分解したとき、係数 $A, B, C, D$ を求めよ。 (2) 定積分 $\int_0^1 \frac{dx}{x^4+1}$ の値を求めよ。

解析学部分分数分解定積分積分計算
2025/6/24

1. 問題の内容

(1) 1x4+1\frac{1}{x^4+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} のように部分分数分解したとき、係数 A,B,C,DA, B, C, D を求めよ。
(2) 定積分 01dxx4+1\int_0^1 \frac{dx}{x^4+1} の値を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) 部分分数分解の係数を求める。
与えられた式 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)
係数比較により、
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
C=AC = -A を2, 3番目の式に代入
2A+B2A+D=0    22A+B+D=0-\sqrt{2}A+B-\sqrt{2}A+D = 0 \implies -2\sqrt{2}A + B + D = 0
A2BA+2D=0    2B+2D=0    B=DA-\sqrt{2}B-A+\sqrt{2}D = 0 \implies -\sqrt{2}B + \sqrt{2}D = 0 \implies B = D
B+D=1B+D=1 より 2B=12B = 1, つまり B=12B = \frac{1}{2}
D=12D = \frac{1}{2}
22A+12+12=0    22A+1=0    A=122=24-2\sqrt{2}A + \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 0 \implies -2\sqrt{2}A + 1 = 0 \implies A = \frac{1}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{4}
C=A=24C = -A = -\frac{\sqrt{2}}{4}
したがって、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
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
=28012x+2x2+2x+1+2x2+2x+1+2x+2x22x+1+2x22x+1dx= \frac{\sqrt{2}}{8} \int_0^1 \frac{2x + \sqrt{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{\sqrt{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} + \frac{-2x + \sqrt{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} + \frac{\sqrt{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} dx
=28[ln(x2+2x+1)ln(x22x+1)]01+14011(x+22)2+12+1(x22)2+12dx= \frac{\sqrt{2}}{8} [\ln(x^2+\sqrt{2}x+1) - \ln(x^2-\sqrt{2}x+1)]_0^1 + \frac{1}{4} \int_0^1 \frac{1}{(x+\frac{\sqrt{2}}{2})^2+\frac{1}{2}} + \frac{1}{(x-\frac{\sqrt{2}}{2})^2+\frac{1}{2}} dx
=28[ln(2+2)ln(22)]+14[2arctan(2x+1)+2arctan(2x1)]01= \frac{\sqrt{2}}{8} [\ln(2+\sqrt{2}) - \ln(2-\sqrt{2})] + \frac{1}{4} [\sqrt{2}\arctan(\sqrt{2}x+1) + \sqrt{2}\arctan(\sqrt{2}x-1)]_0^1
=28ln(2+222)+24[arctan(1+2)arctan(1+2)]= \frac{\sqrt{2}}{8} \ln(\frac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}}) + \frac{\sqrt{2}}{4} [\arctan(1+\sqrt{2}) - \arctan(-1+\sqrt{2})]
=28ln((2+2)242)+24[arctan(1+2)arctan(21)]= \frac{\sqrt{2}}{8} \ln(\frac{(2+\sqrt{2})^2}{4-2}) + \frac{\sqrt{2}}{4} [\arctan(1+\sqrt{2}) - \arctan(\sqrt{2}-1)]
=28ln(4+42+22)+24[arctan(1+2)arctan(21)]= \frac{\sqrt{2}}{8} \ln(\frac{4+4\sqrt{2}+2}{2}) + \frac{\sqrt{2}}{4} [\arctan(1+\sqrt{2}) - \arctan(\sqrt{2}-1)]
=28ln(3+22)+24arctan(1+22+11+(1+2)(21))=28ln(3+22)+24arctan(2)=π28+24arctan(1+2.5)28ln(21)= \frac{\sqrt{2}}{8} \ln(3+2\sqrt{2}) + \frac{\sqrt{2}}{4} \arctan(\frac{1+\sqrt{2}-\sqrt{2}+1}{1+(1+\sqrt{2})(\sqrt{2}-1)}) = \frac{\sqrt{2}}{8} \ln(3+2\sqrt{2}) + \frac{\sqrt{2}}{4} \arctan(2) = \frac{\pi\sqrt{2}}{8} + \frac{\sqrt{2}}{4}\arctan(-1+2^{.5})-\frac{\sqrt{2}}{8}\ln(\sqrt{2}-1)
01dxx4+1=π+ln(1+2)22\int_0^1 \frac{dx}{x^4+1} = \frac{\pi + \ln(1+\sqrt{2})}{2\sqrt{2}}
24(arctan(2+1)+arctan(21))=π24=π+ln(1+2.5)82.5\frac{\sqrt{2}}{4}(\arctan(\sqrt{2}+1) + \arctan(\sqrt{2}-1)) = \frac{\pi\sqrt{2}}{4} = \frac{ \pi+ \ln(1+2^{.5})}{8} * 2^{.5}

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) π28+24arctan(1+2)28ln(21)\frac{\pi\sqrt{2}}{8} + \frac{\sqrt{2}}{4}\arctan(-1+\sqrt{2})-\frac{\sqrt{2}}{8}\ln(\sqrt{2}-1)
π24=π24\frac{\pi\sqrt{2}}{4} = \frac{\pi\sqrt{2}}{4}

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