1x2a2dxを置換積分で計算(ただし,a>0

x+x2a2=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

=log t +C  (C は積分定数)

=log x+ x 2 a 2 +C

x= a cosθ とおく場合

ただし, 0<θ< π 2 π 2 <θ<π である.

dx dθ = asinθ cos 2 θ dx= asinθ 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 a cosθ 2 a 2 asinθ cos 2 θ dθ

= 1 a 1 cos 2 θ 1 asinθ cos 2 θ dθ

tan 2 θ + 1 = 1 cos 2 θ より

= 1 tan 2 θ sinθ cos 2 θ dθ

0<θ< π 2 のとき, tanθ>0 となり, tan 2 θ =tanθ である. π 2 <θ<π のとき, tanθ<0 となり,の範囲では, cosθ>0 となり, tan 2 θ =tanθ である.よって,場合分けをして計算をするめる.

0<θ< π 2 場合

与式 = 1 tanθ sinθ 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

cosθ>0 1+sinθ>0 より

=log 1+sinθ cosθ +C

=log 1 cosθ +tanθ +C

=log 1 cosθ + 1 cos 2 θ 1 +C

=log x a + x a 2 1 +C

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

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

log 1 a +C を改めてCとする.

=log x+ x 2 +1 +C

備考: 0<θ< π 2 のとき, x>a となり, x+ x 2 a 2 >0

π 2 <θ<π の場合

与式 = 1 tanθ sinθ 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+sinx 1sinx 1 +C

= 1 2 log 1sinx 1+sinx +C

= 1 2 log 1sinθ 1+sinθ 1sinθ 1sinθ +C

= 1 2 log 1sinθ 2 1 sin 2 θ +C

= 1 2 log 1sinθ 2 cos 2 θ +C

=log 1sinθ 2 cos 2 θ 1 2 +C

cosθ<0 1sinθ>0 より

=log 1sinθ cosθ +C

=log 1 cosθ tanθ +C

tan 2 θ =tanθ より

=log 1 cosθ tan 2 θ +C

=log 1 cosθ 1 cos 2 θ 1 +C

=log x a x a 2 1 +C

=log 1 a x x 2 a 2 +C

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

log 1 a +C を改めてCとする.

=log x x 2 a 2 +C

備考: π 2 <θ<π のとき, x<a となり, x x 2 a 2 >0

0<θ< π 2 π 2 <θ<π の場合

上記の結果を統合すると

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

となる.

 

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最終更新日: 2025年9月5日