1x2+a2dxを置換積分で計算(ただし,a>0

x+x2+a2=tとおく場合

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

より

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

1 a 2 + x 2 dx= 1 t dt

以上より,積分変数をx からt に置換すると

1 x 2 + a 2 dx = 1 t dt  

となり,積分を進めると

x+ x 2 + a 2 =t>0 より

=logt+C  (C は積分定数)

=log x+ x 2 + a 2 +C

x=atanθ とおく場合

ただし, π 2 <θ< π 2 である.

dx dθ = a cos 2 θ dx= a cos 2 θ dθ

よって,積分変数をx からt に置換すると

1 x 2 + a 2 dx = 1 atanθ 2 + a 2 a cos 2 θ dθ

= 1 a tan 2 θ+1 a cos 2 θ dθ

tan 2 θ + 1 = 1 cos 2 θ より

= 1 1 cos 2 θ 1 cos 2 θ dθ

π 2 <θ< π 2 の範囲では, cosθ>0 となり, cos 2 θ =cosθ である.よって

= 1 1 cosθ 1 cos 2 θ dθ

= 1 cosθ dθ

ここを参照すると

= 1 2 log 1+sinx 1sinx +C

= 1 2 log 1+sinθ 1sinθ 1+sinθ 1+sinθ +C

= 1 2 log 1+sinθ 2 1 sin 2 θ +C

= 1 2 log 1+sinθ 2 cos 2 θ +C

=log 1+sinθ 2 cos 2 θ 1 2 +C

=log 1+sinθ cosθ +C

=log 1 cosθ +tanθ +C

=log tan 2 θ+1 +tanθ +C

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

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

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

log 1 a +C を改めてCとする.

=log x+ x 2 + a 2 +C

 

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最終更新日: 2025年9月5日