高等学校数学III 積分法/演習問題

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問題

次の不定積分を計算せよ。

  1. (x+2x)2dx
  2. (x+1)(x2)dx
  3. (2x+3)2dx
  4. xcos2xxcos2xdx
  5. (tan2x+1tan2x)dx
  6. (ex+1x)dx
  7. 3x+2dx
  8. (x+2)(x2+4x+1)3dx
  9. x+1(3x1)3dx
  10. cos3xsin2xdx
  11. dx(1+tanx)cos2x
  12. (2x+1)ex2+x+5dx
  13. e4xe2x+1dx
  14. x1xdx
  15. 3x1x+1dx
  16. x(x2+4)2dx
  17. x2+1x45x2+4dx
  18. 3x+2x(x+1)3dx
  19. xx+131dx
  20. cosxsinx(sinx+1)dx
  21. (tanx+1tanx)2dx
  22. tan4xdx
  23. sin2x1+sinxdx
  24. x1cosxdx
  25. 11sinxdx
  26. xx34+1dx
  27. log(x21)dx
  28. e3xex1dx
  29. exexexdx
  30. dx3x24x2
  31. dx2x24x+3
  32. tanxcos3xdx
  33. dx1+cosx
  34. xtan2xdx
  35. excosxdx
  36. x2x1dx
  37. sin2xcos3xdx
  38. (sinx+1sinx)2dx
  39. 1+cos3xcos2xdx
  40. dx1+sinx
  41. dxex+1
  42. (logx)2dx
  43. 1x2xdx
  44. dxx2xx2

解答

以下の解答においては、問iにおいて計算すべき積分をIiとおくことにする。

I1=(x+2x)2dx=(1+4x+4x2)dx=x+4log|x|4x+C

I2=(x+1)(x2)dx=(xx2)dx=x2223xx2x+C

I3=(2x+3)2dx=(2x+62x+9)dx=x2+4x2x+9x+C

I4=xcos2xxcos2xdx=(1cos2x1x)dx=tanxlog|x|+C

I5=(tan2x+1tan2x)dx=((1cos2x1)+(1sin2x1))dx=tanx1tanx2x+C

I6=(ex+1x)dx=ex+log|x|+C

I7=3x+2dx=3x+2log3+C

I8=(x+2)(x2+4x+1)3dx

t=x2+4x+1とおくとdt=(2x+4)dx=2(x+2)dxなので、

I8=t32dt=t48+C=18(x2+4x+1)4+C

I9=x+1(3x1)3dx=(13(3x1)2+43(3x1)3)dx=19(3x1)29(3x1)2+C=3x+19(3x1)2+C

別解

t=3x1と置く。 x=t+13,x+1=t+43,dtdx=3,dt=3dxなので、

I9=19(t+4t3)dt=19(1t2+4t3)dt=19(1t+2t2)+C=19(13x1+2(3x1)2)+C=3x+19(3x1)2+C

I10=cos3xsin2xdx=cosx(1sin2x)sin2xdx=cosx(sin2xsin4x)dx

t=sinxとおくとdt=cosxdxなので、

I10=(t2t4)dt=t33t55+C=13sin3x15sin5x+C

I11=dx(1+tanx)cos2x

t=tanxとおくとdt=dxcos2xなので、

I11=dt1+t=log|1+t|+C=log|1+tanx|+C

I12=(2x+1)ex2+x+5dx

t=x2+x+5とおくとdt=(2x+1)dxなので、

I12=etdt=et+C=ex2+x+5+C

I13=e4xe2x+1dx

t=e2x+1とおくとdt=2e2xdxなので、

I13=t12tdt=12(11t)dt=12(tlogt)+C=12(e2x+1log(e2x+1))+C=12(e2xlog(e2x+1))+C

I14=x1xdx

t=1xとおくと、t2=1x,x=1t2,dx=2tdtなので、

I14=2(1t2)ttdt=2(t2t4)dt=2(t33t55)+C=2t315(53t2)+C=215(1x)1x(53(1x))+C=215(3x+2)(1x)1x+C

I15=3x1x+1dx

t=x+1とおくと、t2=x+1,x=t21,dx=2tdtなので、

I15=3(t21)1t2tdt=2(3t24)dt=2(t34t)+C=2t(t24)+C=2((x+1)4)x+1+C=2(x3)x+1+C

I16=x(x2+4)2dx

t=x2+4とおくとdt=2xdxなので、

I16=dt2t2=12t+C=12(x2+4)+C

I17=x2+1x45x2+4dx=13(5x242x21)dx=13(54(1x21x+2)(1x11x+1))dx=512log|x2x+2|13log|x1x+1|+C=13log|x+1x1|512log|x+2x2|+C

I18=3x+2x(x+1)3dx=(1(x+1)3+2x(x+1)2)dx=(1(x+1)32(x+1)2+2x(x+1))dx=(1(x+1)32(x+1)2+2x2x+1)dx=12(x+1)2+2x+1+2log|xx+1|+C=2log|xx+1|+2x+112(x+1)2+C

I19=xx+131dx=x((x+13)2+x+13+1)xdx=((x+1)23+(x+1)13+1)dx=35(x+1)53+34(x+1)43+x+C

I20=cosxsinx(sinx+1)dx

t=sinxとおくとdt=cosxdxなので、

I20=dtt(t+1)=(1t1t+1)dt=log|tt+1|+C=log|sinxsinx+1|+C

I21=(tanx+1tanx)2dx=(tan2x+2+1tan2x)dx=((1cos2x1)+2+(1sin2x1))dx=tanx1tanx+C

I22=tan4xdx=tan2xtan2xdx=tan2x(1cos2x1)dx=(tan2xcos2xtan2x)dx=(tan2xcos2x(1cos2x1))dx=tan2xcos2xdx(tanxx)

t=tanxとおくとdt=1cos2xdxなので、

I22=t2dt(tanxx)=13t3tanx+x+C=13tan3xtanx+x+C

I23=sin2x1+sinxdx=2sinxcosx1+sinxdx

t=sinxとおくとdt=cosxdxなので、

I23=2t1+tdt=2(111+t)dt=2t2log|1+t|+C=2sinx2log(1+sinx)+C

I24=x1cosxdx=x2sin2x2dx=xtanx2+1tanx2dx=xtanx2+cosx2sinx2dx

t=sinx2とおくとdt=12cosx2dxなので、

I24=xtanx2+2dtt=xtanx2+2log|t|+C=xtanx2+2log|sinx2|+C

I25=11sinxdx=1+sinx1sin2xdx=(1cos2x+sinxcos2x)dx=tanx+sinxcos2xdx

t=cosxとおくとdt=sinxdxなので、

I25=tanxdtt2=tanx+1t+C=tanx+1cosx+C

I26=xx34+1dx

t=x34とおくとdt=34x4dxなので、

I26=43tt+1dt=43(11t+1)dt=43t43log|t+1|+C=43x3443log(x34+1)+C

I27=log(x21)dx=log(x+1)(x1)dx=(log|x+1|+log|x1|)dx=(x+1)log|x+1|x+(x1)log|x1|x+C=(x+1)log|x+1|+(x1)log|x1|2x+C

I28=e3xex1dx

t=exとおくとdt=exdxなので、

I28=t2t1dt=(t+1+1t1)dt=12t2+t+log|t1|+C=12e2x+ex+log|ex1|+C

I29=exexexdx

分子分母にexを掛けて、

I29=e2xe2x1dx

t=e2xとおくとdt=2e2xdxなので、

I29=12dtt1=12log|t1|+C=12log|e2x1|+C

I30=dx3x24x2=3(3x210)(3x2+10)dx=3210(13x21013x2+10)dx=1210(log|3x210|log|3x2+10|)+C=1210log|3x2103x2+10|+C

  • I30について補足
    2行目から3行目への変形では、13x21013x2+10=(3x2+10)(3x210)(3x210)(3x2+10)=210(3x210)(3x2+10)であることに注意せよ。
    3行目から4行目への変形では、(log|3x210|)=33x210, (log|3x2+10|)=33x2+10であることに注意せよ。

I31=dx2x24x+3=12dx(x1)2+12

t=x1+(x1)2+12とおくとdt=x1+(x1)2+12(x1)2+12dxなので、

I31=12dtt=12log|t|+C=12log(x1+(x1)2+12)+C=12log(x1+x22x+32)+C

I32=tanxcos3xdx=sinxcos4xdx

t=cosxとおくとdt=sinxdxなので、

I32=dtt4=13t3+C=13cos3x+C

I33=dx1+cosx=1cosx1cos2xdx=(1sin2xcosxsin2x)dx=1tanxcosxsin2xdx

t=sinxとおくとdt=cosxdxなので、

I33=1tanxdtt2=1tanx+1t+C=1tanx+1sinx+C

別解

I33=dx1+cosx=dx2cos2x2=tanx2+C

I34=xtan2xdx=(xcos2xx)dx=xtanxtanxdx12x2=xtanx+log|cosx|12x2+C

I35=excosxdx=excosx+exsinxdx=excosx+exsinxexcosxdx=excosx+exsinxI35

なので、

2I35=exsinx+excosx+CI35=ex2(sinx+cosx)+C

I36=x2x1dx=(x12)254dx

t=x12+(x12)254とするとdt=x12+(x12)254(x12)254dxなので、

I36=(t2+58t)254tdt=12(t254t+2532t3)dt=12(t2454log|t|2564t2)+C=12((x12)x2x154log|x12+x2x1|)+C

別解

t=x12+(x12)254と置く。…①

{t(x12)}2=((x12)254)2

2t(x12)=t2+54

x12=12(t+54t)…②

①②より、(x12)254=t(x12)=t12(t+54t)=12(t54t)…③

②をtで微分すると、dxdt=1258t2=12(154t2)

dx=12(154t2)dt…④

②③④より

I36=12(t54t)12(154t2)dt=14(t104t+2516t3)dt=14(t2252log|t|2532t2)+C=18(t22516t2)58log|t|+C=1212(t+54t)12(t54t)58log|t|+C=12(x12)x2x158log|x12+x2x1|+C

I37=sin2xcos3xdx=12(sin5xsinx)dx=110cos5x+12cosx+C

I38=(sinx+1sinx)2dx=(sin2x+2+1sin2x)dx=(1cos2x2+2+1sin2x)dx=52xsin2x41tanx+C

I39=1+cos3xcos2xdx=(1cos2x+cosx)dx=tanx+sinx+C

I40=dx1+sinx=1sinx1sin2xdx=(1cos2xsinxcos2x)dx=tanxsinxcos2xdx

t=cosxとおくとdt=sinxdxなので、

I40=tanx+dtt2=tanx1t+C=tanx1cosx+C

I41=dxex+1

t=exとおくとdt=exdxなので、

I41=dtt(t+1)=(1t1t+1)dt=log|t|log|t+1|+C=xlog(ex+1)+C

I42=(logx)2dx=x(logx)22logxdx=x(logx)22xlogx+2x+C

I43=1x2xdx

t=1x2とおくとdt=x1x2dxなので、

I43=t2t21dt=(1+1t21)dt=(1+12(t1)12(t+1))dt=t+log|t1t+1|+C=1x2+log11x2|x|+C

I44=dxx2xx2

t=1xとおくとdt=1x2dxなので、

I44=dt2t1=2t1+C=2xx+C