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積分 √(a^2+x^2)

a2+x2dxa2+x2dx    (a>0)(a>0)

部分積分法による解法

a2+x2dxa2+x2dx=1a2+x2dx=1a2+x2dx

部分積分法より.f(x)=1,g(x)=a2+x2f(x)=1,g(x)=a2+x2とおく.

=xa2+x2x2a2+x2dx=xa2+x2x2a2+x2dx

=xa2+x2x2+a2a2a2+x2dx=xa2+x2x2+a2a2a2+x2dx

=xa2+x2a2+x2dx=xa2+x2a2+x2dx+a2a2+x2dx+a2a2+x2dx

=xa2+x2a2+x2dx=xa2+x2a2+x2dx+a2log|x+a2+x2|+a2logx+a2+x2

a2a2+x2dxa2a2+x2dx  の積分はここを参照のこと

改めて書き直すと

a2+x2dxa2+x2dx=xa2+x2=xa2+x2a2+x2dxa2+x2dx+a2log|x+a2+x2|+a2logx+a2+x2

a2+x2dxa2+x2dx  について整理すると

2a2+x2dx2a2+x2dx=xa2+x2+a2log|x+a2+x2|=xa2+x2+a2logx+a2+x2

a2+x2dxa2+x2dx=12{xa2+x2+a2log|x+a2+x2|}=12{xa2+x2+a2logx+a2+x2}

積分定数を付け加えると

a2+x2dxa2+x2dx=12{xa2+x2+a2log|x+a2+x2|}+C=12{xa2+x2+a2logx+a2+x2}+C  

置換積分法による解法

x=atanθx=atanθ     (π2<θ<π2)(π2<θ<π2)  とおくと

dxdθ=a(sinθcosθ)=acos2θ+sin2θcos2θdxdθ=a(sinθcosθ)=acos2θ+sin2θcos2θ=a1cos2θ=a1cos2θ  となり,dx=acos2θdθdx=acos2θdθ

よって

与式=a2+(atanθ)2acos2θdθ=a2+(atanθ)2acos2θdθ

=a2(1+tanθ2)acos2θdθ=a2(1+tanθ2)acos2θdθ

=a2cos2θacos2θdθ=a2cos2θacos2θdθ

π2<θ<π2π2<θ<π2  ではcosθ0cosθ0  より,a2cos2θ=acosθa2cos2θ=acosθ

よって

=acosθacos2θdθ=acosθacos2θdθ

=a2cos3θdθ=a2cos3θdθ

=a21cos3θdθ=a21cos3θdθ

=a2{12sinθcos2θ+14log(1+sinθ1sinθ)}+C=a2{12sinθcos2θ+14log(1+sinθ1sinθ)}+C

1cos3θdθ1cos3θdθ  の積分はここを参照のこと

sinθ=xa2+x2,cosθ=aa2+x2sinθ=xa2+x2,cosθ=aa2+x2  より

sinθcos2θ=xa2+x21(aa2+x2)2sinθcos2θ=xa2+x21(aa2+x2)2=xa2a2+x2=xa2a2+x2

1+sinθ1sinθ=1+xa2+x21xa2+x21+sinθ1sinθ=1+xa2+x21xa2+x2=(1+xa2+x2)212(xa2+x2)2=(1+xa2+x2)212(xa2+x2)2=(a2+x2+xa2+x2)2a2+x2x2a2+x2=(a2+x2+xa2+x2)2a2+x2x2a2+x2=(a2+x2+xa)2=(a2+x2+xa)2

これらより,変数をθ  からx  に戻すと

与式=a2{12xa2a2+x2+14log(x+a2+x2a)2}+C

=12xa2+x2+a24{2log|x+a2+x2|2loga}+C

=12xa2+x2+a22log|x+a2+x2|+a22loga+C

=12{xa2+x2+a2log|x+a2+x2|}+C

a22loga  は定数なので,積分定数を a22loga+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

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