積分 √(a^2+x^2)

a 2 + x 2 dx     ( a>0 )

部分積分法による解法

a 2 + x 2 dx = 1 a 2 + x 2 dx

部分積分法より. f ( x )=1,g( x )= a 2 + x 2 とおく.

=x a 2 + x 2 x 2 a 2 + x 2 dx

=x a 2 + x 2 x 2 + a 2 a 2 a 2 + x 2 dx

=x a 2 + x 2 a 2 + x 2 dx + a 2 a 2 + x 2 dx

=x a 2 + x 2 a 2 + x 2 dx + a 2 log| x+ a 2 + x 2 |

a 2 a 2 + x 2 dx  の積分はここを参照のこと

改めて書き直すと

a 2 + x 2 dx =x a 2 + x 2 a 2 + x 2 dx + a 2 log| x+ a 2 + x 2 |

a 2 + x 2 dx  について整理すると

2 a 2 + x 2 dx =x a 2 + x 2 + a 2 log| x+ a 2 + x 2 |

a 2 + x 2 dx = 1 2 { x a 2 + x 2 + a 2 log| x+ a 2 + x 2 | }

積分定数を付け加えると

a 2 + x 2 dx = 1 2 { x a 2 + x 2 + a 2 log| x+ a 2 + x 2 | }+C  

置換積分法による解法

x=atanθ      ( π 2 <θ< π 2 )  とおくと

dx dθ =a ( sinθ cosθ ) =a cos 2 θ+ sin 2 θ cos 2 θ =a 1 cos 2 θ  となり, dx= a cos 2 θ dθ

よって

与式 = a 2 + ( atanθ ) 2 a cos 2 θ dθ

= a 2 ( 1+tan θ 2 ) a cos 2 θ dθ

= a 2 cos 2 θ a cos 2 θ dθ

π 2 <θ< π 2  では cosθ0  より, a 2 cos 2 θ = a cosθ

よって

= a cosθ a cos 2 θ dθ

= a 2 cos 3 θ dθ

= a 2 1 cos 3 θ dθ

= a 2 { 1 2 sinθ cos 2 θ + 1 4 log( 1+sinθ 1sinθ ) }+C

1 cos 3 θ dθ  の積分はここを参照のこと

sinθ= x a 2 + x 2 ,cosθ= a a 2 + x 2  より

sinθ cos 2 θ = x a 2 + x 2 1 ( a a 2 + x 2 ) 2 = x a 2 a 2 + x 2

1+sinθ 1sinθ = 1+ x a 2 + x 2 1 x a 2 + x 2 = ( 1+ x a 2 + x 2 ) 2 1 2 ( x a 2 + x 2 ) 2 = ( a 2 + x 2 +x a 2 + x 2 ) 2 a 2 + x 2 x 2 a 2 + x 2 = ( a 2 + x 2 +x a ) 2

これらより,変数をθ  から x  に戻すと

与式 = a 2 { 1 2 x a 2 a 2 + x 2 + 1 4 log ( x+ a 2 + x 2 a ) 2 }+C

= 1 2 x a 2 + x 2 + a 2 4 { 2log| x+ a 2 + x 2 |2loga }+C

= 1 2 x a 2 + x 2 + a 2 2 log| x+ a 2 + x 2 |+ a 2 2 loga+C

= 1 2 { x a 2 + x 2 + a 2 log| x+ a 2 + x 2 | }+C

a 2 2 loga  は定数なので,積分定数を  a 2 2 loga+CC  におきなおしている.

 

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 最終更新日: 2023年10月4日